De Europese sondemissie Venus Express (afgekort VEX) vertegenwoordigde een belangrijke stap voor het European Space Agency (ESA) in de verkenning van onze buurplaneet Venus. Waar eerdere Russische en Amerikaanse missies vooral vluchtig of gericht op landers waren, bood Venus Express een langdurige orbitale observatie van de atmosfeer, het plasma-milieu en het oppervlak van Venus.
Ontwikkeling en bouw van Venus Express
De missie werd voorgesteld in maart 2001, toen ESA de opties opende voor een “fast-track” missie door gebruik te maken van bestaand ontwerpmateriaal. Het uitgangspunt was dat de ruimtevaartorganisatie de bus van de voorgaande Mars-missie Mars Express hergebruikt, waarbij aanpassingen noodzakelijk waren voor de specifieke omgeving rond Venus. “De richtlijnen waren extreem strikt: de missie moest binnen een korte tijd gereed zijn, gebruikmaken van dezelfde industriële teams als voor Mars Express, en volledig klaar zijn voor lancering in 2005.” De hoofdcontractant was Astrium (nu onderdeel van Airbus Defence & Space) in Toulouse, Frankrijk, met een consortium van circa 24 bedrijven in 15 Europese landen. Het busontwerp: een honingraat-aluminiumconstructie van circa 1,5 – 1,7 m breed en 1,4 m hoog, met opgevouwen zonnepanelen die bij uitzetting een spanwijdte van ca. 8 m hadden. Omdat Venus dichter bij de zon staat dan Mars, was de thermische belasting aanzienlijk groter (ongeveer vier maal). Daarom waren de radiatoren vergroot, en de zonnepanelen kleiner dan bij Mars Express omdat de energievoorziening ruimschoots geleverd kon worden.
Instrumenten aan boord
Venus Express droeg in totaal zeven wetenschappelijke instrumenten, die elk een specifiek deel van de Venusomgeving bestudeerden: van het oppervlak tot boven de ionosfeer en in het plasma rond de planeet. Hieronder volgt een overzicht met kerngegevens:
- ASPERA-4 (Analyser of Space Plasma and Energetic Atoms) - Ontwikkeld onder leiding van het Institute of Space Physics (Kiruna, Zweden). Doel: meten van geladen deeltjes en energetische neutrale atomen (ENA) in de interactie tussen de zonnewind en Venus-atmosfeer, en zo de ontsnapping van de atmosfeer kwantificeren.
- MAG (Venus Express Magnetometer) - Leiding door het Institute for Space Physics (IWF) in Graz, Oostenrijk. Omdat Venus geen sterk intern magnetisch veld heeft, meet MAG het magnetische veld dat ontstaat door de interactie van zonnewind met de ionosfeer/atmosfeer.
- PFS (Planetary Fourier Spectrometer) - Leiding: IFSI-INAF in Rome, Italië. Een infraroodspectrometer met hoge resolutie voor het bestuderen van temperatuurstructuren en samenstelling van de middelste atmosfeer (ongeveer 55-100 km hoogte) en het oppervlak.
- SPICAV/SOIR (Ultraviolet and Infrared Atmospheric Spectrometer) - Leiding: CNRS Service d’Aéronomie (Frankrijk), BIRA-IASB (België), IKI (Rusland). Combineert SPICAV (UV) en SOIR (IR), voor occultatie-metingen en nadir-waarnemingen van de hogere atmosfeer (80-180 km), traceert onder andere water, zuurstofmoleculen en zwavelverbindingen.
- VeRa (Venus Radio Science Experiment) - Leiding: Universität der Bundeswehr München, Duitsland. Maakt gebruik van de radiosignalen van de sonde tijdens opkomsten en ondergangen (occultatie) om structuur, dichtheid, druk en temperatuur in de ionosfeer/lage atmosfeer (35-100 km) te bepalen. Tevens bistatische radar-experiments voor oppervlaksonderzoek.
- VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) - Leiding: CNR-IASF Rome en Observatoire de Paris/LESIA. Imagering/spectrometrie in zichtbaar en infrarood (0,25-5 µm) voor onderzoek van samenstelling, dynamica van wolken en lagere atmosfeer, en – indirect, het oppervlak.
- VMC (Venus Monitoring Camera) - Leiding: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), Katlenburg-Lindau, Duitsland. Een brede hoek camera in meerdere golflengten (UV, zichtbaar, near-IR) voor monitoring van wolkenmorfologie, atmosferische dynamica, waterdistributie, en thermische beelden van het oppervlak.
Deze combinatie gaf een brede dekking: van in-situ plasma en ionosfeer, via atmosfeerstructuur en dynamica, tot oppervlak en eventuele actieve geologie.
Lancering
Na een intensieve ontwikkelingsperiode van slechts vier jaar stond in november 2005 de Europese ruimtesonde Venus Express klaar voor haar reis naar onze zusterplaneet. De missie maakte deel uit van het wetenschapsprogramma van de European Space Agency (ESA) en werd grotendeels gebaseerd op het ontwerp van de succesvolle Mars Express-sonde, wat zowel kosten als ontwikkeltijd sterk reduceerde. De lancering vond plaats op 9 november 2005 vanaf het Baikonur Cosmodrome in Kazachstan. Het lanceervoertuig was een Russische Sojoez-Fregat, een betrouwbare combinatie die eerder ook Mars Express en Cluster II had gelanceerd. De Sojoez-raket bracht de sonde in een tijdelijke baan om de aarde, waarna de Fregat-trap meerdere keren werd ontstoken om Venus Express op een interplanetaire transferbaan naar Venus te sturen. Het totale lanceergewicht bedroeg ongeveer 1240 kilogram, inclusief zo’n 570 kilogram brandstof. De vlucht verliep vlekkeloos: alle trappen functioneerden volgens plan en de sonde scheidde zich ongeveer anderhalf uur na lancering succesvol van de Fregat-trap. Vervolgens ontvouwde zij haar zonnepanelen, richtte haar antenne naar de aarde en begon met de eerste systeemcontroles en kalibraties. Tijdens de interplanetaire reis van vijf maanden voerde het vluchtteam verschillende koerscorrectiemanoeuvres uit om de sonde precies in de juiste baan te brengen. In deze fase werden ook de meeste instrumenten kort geactiveerd om hun status te controleren. De communicatie verliep via ESA’s Deep Space Network, met grondstations in Cebreros (Spanje), New Norcia (Australië) en later Malargüe (Argentinië).
Aankomst bij Venus
Baaninvoering rond Venus Op 11 april 2006 bereikte Venus Express haar doel. De cruciale manoeuvre, de Venus Orbit Insertion (VOI), duurde ongeveer 50 minuten. Tijdens deze fase gebruikte de sonde haar hoofdmotor om voldoende snelheid te verliezen en door de zwaartekracht van Venus te worden ingevangen. De operatie verliep succesvol, waarmee ESA voor het eerst een ruimtevaartuig in een stabiele baan rond Venus bracht. De eerste baan was zeer elliptisch: de sonde naderde Venus tot op ongeveer 250 kilometer hoogte bij pericentrum (laagste punt) en verwijderde zich tot 66.000 kilometer bij apocentrum (hoogste punt). De baan was bovendien bijna polaire, wat betekende dat Venus Express de planeet van pool tot pool kon observeren. Een volledige omloop duurde ongeveer 24 uur. In de daaropvolgende weken voerde het vluchtteam baanverfijningen en kalibraties uit, waarna de nominale wetenschappelijke missie op 4 juni 2006 officieel van start ging.
Om specifieke onderzoeksdoelen te bereiken, wijzigde ESA in de loop van de jaren regelmatig de baan van Venus Express. Dit gebeurde onder meer om seizoensvariaties in de atmosfeer te volgen of om de poolgebieden beter in kaart te brengen. Een van de meest opmerkelijke experimenten vond plaats in 2014, toen de sonde een reeks gecontroleerde “aerobraking”-passes uitvoerde. Hierbij werd de baan geleidelijk verlaagd tot een pericentrum van slechts 130 tot 140 kilometer boven het Venusoppervlak, laag genoeg om meetbare atmosferische weerstand te ondervinden. Dit bood een unieke kans om directe metingen te doen aan de dichtheid en samenstelling van de hogere lagen van de atmosfeer. Het was de eerste keer dat ESA een dergelijke aerodynamische remtechniek op een andere planeet toepaste.
Wetenschappelijke resultaten
De wetenschappelijke opbrengst van Venus Express was omvangrijk. Hieronder zijn de belangrijkste resultaten samengevat, met elk enkele kernpunten:
- Vortexen en atmosferische dynamica
De wolkenmorfologie boven de zuidpool van Venus bleek veel complexer dan gedacht: de zuidpool-vortex is geen stabiele dubbelhurricane maar een veranderlijk, turbulent systeem. De metingen van instrumenten zoals VIRTIS en VMC toonden aan dat de kern van draaibewegingen wandelt, dat er verticale windschering is, en dat de “cold collar” rond de pool een duidelijke scheiding vormt tussen polaire en lagere breedtes. Daarnaast werd vastgesteld dat de super-rotatie van de atmosfeer, waarbij de wolken in circa vier aardse dagen een volledige omwenteling maken, sneller is geworden dan in eerdere waarnemingen. - Atmosferische ontsnapping en waterverlies
Een van de cruciale vragen bij Venus is waarom de planeet ondanks zijn aardachtige eigenschappen zo anders geëvolueerd is. Venus Express toonde dat er continu lichte gassen, zoals waterstof, uit de atmosfeer ontsnappen: de verhouding H⁺/O⁺ is ongeveer twee op één. Dit suggereert dat vroeger waarschijnlijk aanzienlijk meer water aanwezig was (bijv. oceanen) die vervolgens grotendeels verdwenen zijn. - Mogelijke recente vulkanische activiteit
Door metingen van het hoger dan verwachte zwaveldioxide-gehalte in de bovenatmosfeer (SO₂-pieken direct na komst in 2006) én door thermische anomalieën op het oppervlak (via VIRTIS en VMC) kwam sterk bewijs voor actuele vulkanische activiteit op Venus. Hoewel directe eruptiebeelden ontbreken, wijzen de combinaties van verhoogd SO₂ en hotspots in de Ganiki Chasma-zone richting actieve geologie. - Veranderingen in rotatie en oppervlaktemetingen
De analyses wezen erop dat het oppervlak van Venus iets verschoven leek ten opzichte van de radarkaarten van eerdere missies, een mogelijke indicatie dat de rotatiesnelheid van Venus iets vertraagd is sinds eerdere metingen. Ook bepaalde infraroodkaarten (VIRTIS) leverden temperatuurvariaties op het oppervlak op die wijzen op heterogeniteit in gesteentetype of recente thermische activiteit. - Chemie van de hogere atmosfeer
Instrumenten zoals SPICAV/SOIR maakten detecties van ozonlaag-achtige structuren, variërende SO₂-concentraties, en “koude” lagen in de mesopshere waar CO₂ mogelijk zou kunnen neerslaan als ijs/sneeuw. - Koppel tussen plasma-omgeving en zonnewind
ASPERA en MAG toonden hoe de zonnewind rechtstreeks interacteert met de ongeagnetiseerde Venusomgeving, met magnetische reconnectieprocessen vergelijkbaar met die op aarde, maar zonder intern veld. - Globale thermische structuur en wolkvariaties
Dankzij de langdurige meetperiode kon Venus Express langdurige variaties en globale kaarten leveren van bijvoorbeeld de ultraviolet-albedo (365 nm) van de wolkentop, wat veranderingen van tot wel een factor 2 over meerdere jaren liet zien en grote implicaties heeft voor de stralingsbalans van Venus.
Het VIRTIS-instrument maakte deze beelden van een vortex in het zuidpoolgebied van Venus - Foto: ESA
Einde van de missie
Tegen eind 2014 begon Venus Express duidelijke tekenen van brandstofgebrek te vertonen. De resterende hydrazinevoorraad was vrijwel uitgeput, waardoor attitude-controle en baanonderhoud niet langer mogelijk waren. De communicatie met de aarde werd geleidelijk onregelmatiger. Op 28 november 2014 meldde het vluchtteam dat de sonde vermoedelijk tijdelijk in een veiligheidsmodus was geraakt. Pogingen om het contact te herstellen leverden nog korte telemetrie op, maar op 16 december 2014 verklaarde ESA de missie officieel beëindigd. De sonde bleef nog enige tijd in een instabiele baan rond Venus totdat zij in de dichte atmosfeer opbrandde, een passend maar onvermijdelijk einde van een succesvolle missie. Venus Express leverde in technisch en wetenschappelijk opzicht een indrukwekkend rendement: een missie met relatief “budgetvriendelijke” opzet (door hergebruik en adaptatie) die een overvloed aan unieke data genereerde over een van de meest intrigerende planeten in ons zonnestelsel.
