De wetenschappers stuurden een raket naar Mars voor minder dan het kostte om “The Martian” te maken

Op 5 november 2013 werd een raket gelanceerd richting Mars. Het was India’s eerste interplanetaire missie, Mangalyaan, en een geweldige gok. Slechts 40 procent van de missies die door grote ruimtevaartorganisaties – zoals de NASA, Rusland, Japan of China – naar Mars werden gestuurd, waren ooit een succes. Geen enkele ruimtevaartorganisatie was bij haar eerste poging geslaagd. Bovendien beschikte de Indiase ruimtevaartorganisatie ISRO over zeer weinig financiële middelen: terwijl NASA’s Marssonde Maven 651 miljoen dollar kostte, bedroeg het budget voor deze missie 74 miljoen dollar. Ter vergelijking, het budget voor de film “The Martian” was $108 miljoen. Oh, en ISRO stuurde de raket pas 18 maanden na het begin van de werkzaamheden de lucht in. Een paar maanden en een paar miljoen kilometer later maakte de orbiter zich klaar om de zwaartekracht van Mars binnen te gaan. Dit was een kritiek moment. Als de orbiter de zwaartekracht van Mars onder de verkeerde hoek zou binnengaan, met een afwijking van slechts één graad, zou hij of op het oppervlak van Mars neerstorten of er vlak langs vliegen, verloren in de leegte van de ruimte.

Bekijk meer

Terug op aarde wachtte het team van wetenschappers en ingenieurs op een signaal van de orbiter. Missie-ontwerper Ritu Karidhal had 48 uur achter elkaar gewerkt, gevoed door anticipatie. Als kind keek Minal Rohit naar ruimtemissies op tv. Nu wachtte Minal op nieuws over de orbiter die zij en haar collega, Moumita Dutta, hadden helpen bouwen.

Toen het signaal eindelijk kwam, barstte het gejuich los in de controlekamer. Als je in zo’n kamer werkt, zegt plaatsvervangend operationeel directeur Nandini Harinath, “hoef je niet langer naar een thrillerfilm te kijken om de spanning van het leven te voelen. Je voelt het in je dagelijkse werk.”

Dit was niet het enige succes van de missie. Een foto van de wetenschappers die feestvieren in de controlekamer van de missie ging viral. Meisjes in India en daarbuiten kregen er nieuwe helden bij: het soort dat sari’s draagt en bloemen in het haar bindt, en raketten de ruimte instuurt.

De raket gaat vertrekken. Hij wacht op niemand.

Toen Moumita Dutta in de negende klas zat, bestudeerde ze licht en vond het fascinerend. Die obsessie leidde tot haar ingenieursstudie. In 2006 was ze in de oostelijke stad Kolkata, India, toen ze in de krant las dat India voorbereidingen trof om zijn eerste maanmissie te lanceren. Het was een kans om een nationale kans goed te maken die India een halve eeuw eerder had gemist. ISRO was eind jaren ’60 opgericht, in het heetst van de strijd om de maan. Maar als ruimtevaartorganisatie in een pas onafhankelijk land met uiterst beperkte middelen heeft het agentschap daar nooit aan deelgenomen. India’s missie naar de maan in 2008 was een lange tijd in de maak, even historisch als grensverleggend. “Ik vond dat de mensen die eraan werkten zo gelukkig waren.” Moumita liet het aanbod van een promotie in het buitenland varen en verhuisde halverwege het land om zich bij ISRO aan te sluiten bij haar missie naar de Maan.

Toen ISRO in 2012 de Marsmissie aankondigde, was het primaire doel om een vermogen op te bouwen om de zwaartekracht van Mars te betreden, en eenmaal daar, wetenschappelijke experimenten uit te voeren. De missie moest, zeker gezien de beperkte middelen van het land, in recordtijd worden voltooid. De raket moest worden gelanceerd toen de afstand tussen de aarde en Mars het kleinst was, medio 2013: slechts 18 maanden om alles aan boord te plannen, te bouwen en te testen. De orbiter moest in een elliptische baan om Mars komen van achter de planeet, waarbij alle communicatie met de aarde in de meest cruciale fase van de missie werd verbroken. Daarvoor zou een volledig autonome capaciteit moeten worden ontwikkeld om hem draaiende te houden. De orbiter zou 5 sensoren aan boord kunnen hebben om wetenschappelijke experimenten uit te voeren. Het addertje onder het gras: ze zouden samen minder dan 15 kilo moeten wegen.

Moumita kende sensoren. Nu was het haar taak om een wetenschappelijk instrument te bouwen en te testen dat als eerste methaan op Mars kan detecteren.

Het blijkt dat de sensor waar Moumita aan werkte niet op een beter moment had kunnen komen. In 2014 detecteerde de Marsrover Curiosity van de NASA een piek in het methaangehalte in zijn directe omgeving. Aangezien de aanwezigheid van methaan erop kan wijzen dat er ooit leven of water op Mars is geweest, was het een spannende ontdekking. Maar om zinvolle conclusies te kunnen trekken, is een wetenschappelijk instrument nodig dat zelfs de kleinste hoeveelheden methaan op het hele oppervlak van Mars kan detecteren, en dat gedurende alle seizoenen, maanden en jaren lang. Het doorzoeken van de verzamelde gegevens zou “als het zoeken naar God” zijn, zoals Moumita het zegt, “natuurlijk is God, in dit geval, ons wetenschappelijk doel.”

De veeleisende gevoeligheid van die zoektocht vormde het ontwerp van de ISRO Methaan Sensor voor Mars. Moumita had voorafgaand aan deze missie aan 12-14 payloads gewerkt, maar dit was een ander beest. “We bouwden iets dat nog nooit eerder was gebouwd, dus elke dag was een nieuwe uitdaging,” zegt ze.

Moumita en haar collega’s concludeerden dat hun beste kans om die fijne metingen te registreren lag in de keuze van een optisch filter dat nog nooit in interplanetaire missies had gevlogen: etalon. Het was niet getest, maar gevoelig genoeg om de kleinste hoeveelheden methaan te detecteren en het zou het gewicht van de sensor terugbrengen tot minder dan 3 kg of 6,5 pond. Moumita bedacht, ontwikkelde en voerde tests uit voor de etalon. Dit experiment was zo belangrijk dat de voorzitter en de directeuren van ISRO aanwezig waren bij de tests.

Onder de ogen van haar bazen begon een nerveuze Moumita aan de proefrit. “Ik plaatste het etalon in de testopstelling, zo benieuwd of het de prestaties zou leveren die we zochten”, zegt ze. Toen plaatste ze een kleine methaancel tussen het etalon en de parallelle lichtbundels in de opstelling. Het signaal van het etalon daalde. “Toen ik dit zag, dacht ik “whoa!” Ik werd emotioneel. Wat we hadden gebouwd kon daadwerkelijk methaan detecteren. We wisten dat dit zou werken!”

De sensor zou naar Mars vliegen, en het zou Moumita’s touch hebben. Het enige wat nog restte waren maanden van 18-urige werkdagen om ervoor te zorgen dat de missie volgens het absurd optimistische tijdschema zou worden gelanceerd. Voor Moumita was de tijdsdruk geen probleem.

“Er zijn lange uren,” zegt ze. “

Moumita maakt de methaanceltest met het etalon, als ik eraan denk dat de sensor waaraan ik werk mijn landgenoten ten goede komt. ISRO

“Wanneer fictie in werkelijkheid verandert, zul je het niet weten.”

India is een land van tegenstellingen. Er is het India dat zijn economie laat groeien, dan is er het India met extreme inkomensongelijkheid. Het ene India laat haar meisjes zien dat ze kunnen opgroeien tot raketwetenschappers, het andere garandeert haar niet dat het recht op onderwijs en veiligheid een gegeven is. Terwijl het ene India de kortste weg naar Mars volgt, blijft het andere India onbereikbaar over de weg.

Toen ze in de jaren ’80 opgroeide in het stadje Rajkot in India, keek Minal Rohit naar de lancering van een satelliet op televisie. Het was zo opwindend, dat ze dacht: “kaam karna hai toh aisa karna hai.”

Als je moet werken, doe dan zulk werk.

Voor meisjes en vrouwen met een missie kan de cultuur in India soms claustrofobisch zijn en kan een carrière een daad van rebellie lijken. Minals ouders hebben die cultuur nooit in hun huis laten doordringen. Toen haar werd voorgesteld om niet verder te studeren – “Hoe zou ze dan een geschikte huwelijkspartner vinden?” – wilde haar vader daar niets van weten. “Mijn vader was onvermurwbaar,” zegt ze. Hij zei: “Ze vindt zelf wel een geschikte man als ze er geen vindt, maar mijn dochter zal studeren.” Toch was techniek in die tijd een ongebruikelijke beroepskeuze in Rajkot, vooral voor vrouwen, en Minal besloot dat geneeskunde misschien geschikter zou zijn. Minal’s ouders plaatsten haar over van een Gujarati- naar een Engelstalige school. Toen ze niet slaagde voor het toelatingsexamen voor geneeskunde, moedigden ze haar aan om ingenieur te worden.

Daar had ze als kind natuurlijk al over gedroomd.

Minal begon haar carrière bij ISRO met het verschaffen van toegang tot medische zorg en onderwijs op het Indiase platteland met behulp van de communicatiesatellieten van het agentschap, waar dergelijke diensten voor duizenden mensen levensveranderend zijn. Ze had het geluk te kunnen rekenen op de steun van haar ouders en haar echtgenoot. Maar haar drang was niet gestild. “Het leven is comfortabel, dus ik moet manieren vinden om in mijn werk steeds weer uit mijn comfortzone te breken,” zegt ze. Anders “weet je niet wanneer fictie werkelijkheid wordt.”

De Marsmissie was zo ver uit haar comfortzone als een missie maar zijn kan.

De onmogelijke tijdlijn dwong tot innovatie. Een gewone missie is als een estafetteloop. Subsysteemteams, zoals Moumita’s opticateam, bouwen hun apparaten en dragen ze over aan het systeemintegratieteam. Die groep zorgt ervoor dat alle subsystemen – optiek, elektronica, mechanica – harmonieus samenwerken en voldoen aan de prestatiecriteria. Vervolgens wordt het systeem geïntegreerd in een model van de orbiter, het kwalificatiemodel, dat aan zware tests wordt onderworpen. De orbiter die uiteindelijk vliegt, is een replica van dit model.

“Zie het als de oudste zoon en de jongste zoon,” zegt Minal. “De jongste zoon krijgt alle aandacht, terwijl de oudste zoon alle ontberingen moet doorstaan. Dus als de oudste zoon strenge tests doorstaat, betekent dit dat de jongste zoon dat ook zeker zal doen. Over het algemeen wordt pas aan het vluchtmodel gedacht als het kwalificatiemodel af is.”

Maar dat was niet het geval bij de Marsmissie, die niet de luxe van tijd had om een estafette te houden. Dit was meer een jongleer-act. “Het kwalificatiemodel en het vluchtmodel werden parallel gebouwd,” zegt Minal.

Haar rol was om de componenten van de methaansensor te helpen integreren tot een fijn afgesteld wetenschappelijk instrument. Normaal gesproken zou al haar werk in het kwalificatiemodel zijn gedaan, met een foutmarge die in het uiteindelijke vluchtmodel had kunnen worden gecorrigeerd. Maar omdat alles elkaar overlapte om de deadline te halen, was die marge er niet.

“In de ruimte is geen fout acceptabel,” zegt ze. “We noemen het nul fouten.” Dus toen alle instrumenten in de laatste fase binnenkwamen voor testen op zowel kwalificatie- als vluchtmodellen, herinnert Minal zich, “was er veel druk. Geen enkele fout was aanvaardbaar, niet in een enkele draadverbinding. Ik zou zeggen dat zelfs het geduld dat ik niet met mijn eigen zoon heb, tijdens deze missie op de proef werd gesteld.”

Minal werkte nauwgezet de plannen en procedures uit voor de integratie van de subsystemen van de methaansensor. Wanneer subsystemen op Minals bureau aankomen om te worden geïntegreerd, zijn ze meestal volledig getest en gecertificeerd door subsysteemingenieurs. In deze missie, vertelt Minal, “werden ze nog steeds getest door subsysteemteams. Dus moesten we mondeling vertrouwen, zonder documenten of certificaten, alleen van de ingenieur die zei: ‘ok, ik heb het op mijn manier getest, nu nemen jullie het.’ Dat is alles!” Lachend voegt ze eraan toe: “Ik bad tot God dat als ik op de aan-knop drukte, hij aan zou gaan en niet iets zou ontploffen!”

Er kwamen geen ontploffingen. De orbiter kon worden klaargemaakt voor het enige dat telde: het opstijgen in de ruimte.

“Ik keek naar de duisternis en vroeg me af wat daarachter lag.”

De gemiddelde afstand tussen de aarde en Mars is 225 miljoen kilometer. Dit betekent dat een signaal van de Mars orbiter er 12 minuten over doet om bij de grondcontrole aan te komen. Twaalf ondraaglijke minuten voordat je mogelijk weet dat er iets mis is, en nog eens 12 eindeloze minuten voordat je commando om het te corrigeren de orbiter bereikt. Als je orbiter op het randje van een ramp staat, zal die 24 minuten waarschijnlijk fataal zijn.

Daarom moet een Mars orbiter volledig autonoom kunnen opereren. Met elke ruimtemissie bouwt ISRO’s team van wetenschappers aan hun capaciteiten. De missie naar de maan in 2007 heeft hen in staat gesteld om de zwaartekracht van de aarde te verlaten. De Marsmissie moet daar een autonoom softwaresysteem aan toevoegen, dat geavanceerd genoeg is om elk probleem in de ruimte te diagnosticeren en zelf te verhelpen.

Missie-ontwerper Ritu Karidhal leidde het ontwerp en de ontwikkeling van dit systeem. “Het is als het menselijk brein. Het ontvangt signalen van sensoren zoals je ogen, oren, zenuwuiteinden. Als er ergens in je lichaam een probleem is, reageren je hersenen onmiddellijk. Dat is wat we voor de orbiter in tien maanden vanaf nul moesten opbouwen. We moesten elk element – sensoren, activatoren, motoren – begrijpen en begrijpen hoe het zich kon gedragen of misdragen.”

Toen Ritu voor het eerst in de ruimtevaart geïnteresseerd raakte, had ze niet echt door dat het zo technisch zou worden. Maar ja, ze was pas drie jaar oud. “Ik vroeg altijd waarom de maan groter en kleiner werd. Ik keek naar de duisternis en vroeg me af wat daarachter lag,” herinnert Ritu zich. “Ik dacht dat ruimtewetenschap alleen over astronomie ging, sterren kijken. In werkelijkheid is het heel technisch werk.”

Negentien jaar geleden verliet Ritu haar geboorteplaats Lucknow in India en verhuisde ze naar de andere kant van het land om wetenschapper te worden. “Het was geen makkelijke beslissing, maar mijn ouders hebben me altijd gesteund”, zegt ze.

Op de lanceerdag in november 2013 werden die dromen werkelijkheid toen Ritu naar de monitoren in de controlekamer van de missie staarde. Haar autonome systeem was voorbestemd voor de ultieme test.

Ook Nandini Harinath, plaatsvervangend operationeel directeur voor de missie, bevond zich in de ruimte.

Er was niet één specifiek moment dat Nandini’s interesse in de wetenschap wekte. “Mijn moeder was wiskundeleraar, mijn vader is een groot liefhebber van natuurkunde. Ik denk dat wetenschap er voor mij altijd geweest is,” zegt Nandini. Wiskunde was thuis zo’n veelbesproken onderwerp dat Nandini denkt dat ze er al mee vertrouwd was voordat ze leerde praten. Ze herinnert zich dat ze samen met haar vader de sterrenbeelden bestudeerde tot ze de verschillende sterren aan de nachtelijke hemel van Bangalore kon herkennen. “Natuurlijk dacht ik niet dat ik ooit bij ISRO zou komen, maar 21 jaar geleden gebeurde het gewoon.”

Voor Mangalyaan deed Nandini de wiskunde om de baan te bepalen die hem naar Mars zou moeten brengen.

Tijdens het opstijgen zegt Nandini: “Ik heb altijd vlinders in mijn buik.” Toen de orbiter eenmaal gelanceerd was, moest het team kritieke handelingen uitvoeren om hem uit de zwaartekracht van de aarde naar Mars te krijgen. Zoals Nandini ze beschrijft, “waren ze een eenmalige aangelegenheid. Je doet het goed, of je doet het niet.” De orbiter volgde een vooraf bepaalde katapult-achtige weg, draaide zes tot zeven keer rond de aarde en starte de motoren bij elke omwenteling, totdat hij uiteindelijk genoeg snelheid had om de invloedssfeer van de aarde te verlaten in precies de juiste hoek naar de rode planeet. De eerste fase van de missie was voorbij.

Negen maanden later zou de orbiter klaar zijn om een nieuwe wereld te betreden:

In de tussentijd werkte Nandini bij de missiecontrole om ervoor te zorgen dat de Marssonde de baan volgde die zij had helpen berekenen en ontwerpen. Als de capsule van de geplande baan afweek, had haar team de middelen om het terug te sturen. Terwijl Nandini op de Marsmissie werd getest, deed haar dochter eindexamen op de middelbare school. Nandini zou om middernacht terugkeren uit de controlekamer van de missie en om 4 uur ’s ochtends wakker worden om samen met haar dochter te studeren.

Maar op 24 september 2014 zou er geen gelegenheid zijn voor aanpassingen: het was tijd voor Mangalyaan om zelf te vliegen, met behulp van het systeem dat Ritu had helpen ontwerpen. Om 7 uur die ochtend stuurde de orbiter een signaal dat bevestigde dat de sequencer op het autonome systeem aan boord was begonnen met vuren. Hij was klaar om de zwaartekracht van Mars binnen te gaan. De orbiter oriënteerde zichzelf met behulp van activators en wielen totdat het op een invlieghoek was binnen een foutmarge van één graad.

Eén-en-twintig minuten later, zoals gepland, begon de motor te vuren. Vier minuten later stopte het signaal. De orbiter was achter Mars gegaan. Als hij onder de juiste hoek in de zwaartekracht van Mars kwam, zou hij een signaal terugsturen naar de Aarde. Zo niet, dan zou er nooit meer iets van Mangalyaan worden vernomen.

“Elke minuut,” herinnert Ritu zich, “hielden we gegevens bij om te proberen te berekenen of er een anomalie was.” Maar natuurlijk was er geen manier om de missie zelf te veranderen. De volgende 26 minuten wachtten de teams van Ritu en Nandini in de complete stilte van de controlekamer van de missie.

Toen, om 8 uur ’s morgens, kwam er een signaal aan op aarde.

“Wereldwijd bevindt de helft van alle hersenen zich in vrouwen.”

Astrofysicus Vera Rubin, die donkere materie ontdekte, schreef beroemd dat ze drie basisaannames had met betrekking tot vrouwen in de wetenschap:

“Er is geen probleem in de wetenschap dat door een man kan worden opgelost en dat niet door een vrouw kan worden opgelost. Wereldwijd zit de helft van alle hersenen in vrouwen. We hebben allemaal toestemming nodig om wetenschap te bedrijven, maar om redenen die diep in de geschiedenis zijn ingeworteld, wordt die toestemming vaker aan mannen dan aan vrouwen gegeven.”

Nandini beaamt helaas dat dit nog steeds het geval is voor de meeste vrouwen in haar land. “Misschien ligt het aan onze cultuur,” zegt ze. “Het legt zoveel druk op de vrouw dat zelfs als ze ambitieus is en het talent heeft om het ver te schoppen, ze dat niet kan tenzij ze thuis alle steun heeft.”

Dat kunnen de vrouwen van ISRO wel eens veranderen. Deze helden danken hun kansen aan toestemming en al dan niet stille steun van hun ouders. Uit de rollen van het Indiase ruimteagentschap blijkt dat anderen volgen. Vandaag de dag, zegt Moumita, “is het aantal vrouwen in de ruimtewetenschappen bij ISRO de laatste paar jaar omhooggeschoten. Dit toont aan dat er meer steun is voor vrouwen die dergelijk werk gaan doen.”

Bijna een kwart van het technisch personeel van ISRO is nu vrouw. Er is nog een lange weg te gaan, maar ruimtemissies zijn zo lastig dat alle hens – alle hersens – aan dek moeten zijn. Als je naar de sterren reikt, kun je geen glazen plafond tussen de aarde en de ruimte bouwen.

Dat is wat orbiters de ruimte in stuwt en wetenschappers in de schijnwerpers zet. En dan kan de cyclus doorgaan – een estafetteloop waarvan de tijd gekomen is – als meisjes de sari’s in de controlekamer zien en beseffen dat zij dit ook kunnen.

“Als je een echte wens hebt, kom je er wel, op deze of op die manier,” zegt Minal Rohit, wiens sensor methaan op Mars blijft meten. “Ik zeg altijd: houd kortetermijndoelen, zodat je de motivatie kunt vinden om ze te halen. Houd vervolgens ergens in je brein een einddoel, een duidelijke verklaring van wat je wilt in het leven. One big dream, many small dreams.”

“Helping the common man is my big dream,” she says, “Mars was a small dream. Now I think: what next?”

The sky is not the limit.