Vijftig jaar geleden, deze week, maakte de mensheid haar eerste expeditie naar een andere wereld, toen Apollo 11 op de maan landde en twee astronauten op het oppervlak wandelden. Dat moment veranderde de wereld op manieren die tot op de dag van vandaag doorwerken.
MIT’s diepe en gevarieerde banden met die historische gebeurtenis – waarvan er vele zijn beschreven op MIT News – begonnen al jaren voor de daadwerkelijke landing, toen het MIT Instrumentation Laboratory (nu Draper) het allereerste contract tekende dat werd gegund voor het Apollo-programma na de aankondiging ervan door president John F. Kennedy in 1961. De betrokkenheid van het instituut bleef gedurende het hele programma bestaan – en duurt tot op de dag van vandaag voort.
MIT’s rol in het creëren van het navigatie- en geleidingssysteem dat de missie naar de maan en terug bracht, is alom erkend in boeken, films en televisieseries. Maar veel andere aspecten van de betrokkenheid van het instituut bij het Apollo-programma en zijn nalatenschap, waaronder vooruitgang in mechanische en computationele engineering, simulatietechnologie, biomedische studies, en de geofysica van planeetvorming, zijn minder gevierd gebleven.
Te midden van het groeiende koor van herinneringen in verschillende media die rond deze 50e verjaardag zijn verschenen, is hier een kleine verzameling van stukjes en beetjes over enkele van de onbezongen helden en minder bekende feiten uit het Apollo-programma en MIT’s centrale rol daarin.
Een nieuw tijdperk in de elektronica
Het computersysteem en de software die het ruimtevaartuig bestuurden – de Apollo Guidance Computer genaamd en ontworpen door het MIT Instrumentation Lab team onder leiding van Eldon Hall – waren opmerkelijke prestaties die de technologie op vele manieren vooruit hielpen.
De programma’s van de AGC werden geschreven in een van de allereerste compileertalen, MAC genaamd, die werd ontwikkeld door Instrumentation Lab ingenieur Hal Laning. De computer zelf, de 1-kubieke voet Apollo Guidance Computer, was het eerste significante gebruik van silicium geïntegreerde circuit chips en versnelde de ontwikkeling van de microchip-technologie die is doorgegaan met het veranderen van vrijwel elk consumentenproduct.
In een tijdperk waarin de meeste computers hele geklimatiseerde kamers in beslag namen, was de compacte AGC uniek klein en licht. Maar de meeste van zijn “software” was eigenlijk hard-wired: De programma’s waren geweven, met kleine donutvormige metalen “kernen” die als kralen langs een reeks draden waren geregen, waarbij een bepaalde draad buiten de donut liep om een nul voor te stellen, of door het gat voor een 1. Deze zogenaamde touwgeheugens werden gemaakt in de buitenwijken van Boston bij Raytheon, meestal door vrouwen die waren aangeworven omdat ze ervaring hadden in de weefindustrie. Eenmaal gemaakt, was er geen manier om individuele bits binnen het touw te veranderen, dus elke verandering in de software vereiste het weven van een heel nieuw touw, en veranderingen op het laatste moment waren onmogelijk.
Zoals David Mindell, de Frances en David Dibner hoogleraar in de geschiedenis van techniek en fabricage, in zijn boek “Digital Apollo” opmerkt, was dat systeem de eerste keer dat een computer van welke soort dan ook werd gebruikt om, in real-time, veel functies te besturen van een voertuig dat mensen vervoert – een trend die zich nog steeds versnelt nu de wereld zich in de richting beweegt van zelfrijdende voertuigen. Direct na de Apollo-successen werd de AGC direct aangepast aan een F-8 gevechtsvliegtuig, om het allereerste fly-by-wire systeem voor vliegtuigen te creëren, waarbij de stuurvlakken van het vliegtuig via een computer worden bewogen in plaats van via rechtstreekse kabels en hydraulische systemen. Deze aanpak is nu wijdverbreid in de lucht- en ruimtevaartindustrie, zegt John Tylko, die les geeft aan MIT’s klas 16.895J (Engineering Apollo: The Moon Project as a Complex System), die om het jaar wordt gegeven.
Zo geavanceerd als de computer voor zijn tijd was, zouden computergebruikers hem tegenwoordig nauwelijks als zodanig herkennen. Het toetsenbord en het beeldscherm leken meer op die van een magnetron dan op die van een computer: een eenvoudig numeriek toetsenbord en een paar regels met vijfcijferige lichtgevende displays. Zelfs de grote mainframe computer die werd gebruikt om de code te testen terwijl hij werd ontwikkeld, had geen toetsenbord of beeldscherm dat de programmeurs ooit hebben gezien. Programmeurs schreven hun code met de hand, typten die vervolgens op ponskaarten – één kaart per regel – en overhandigden de stapel kaarten aan een computeroperator. De volgende dag kreeg men de kaarten terug met een afdruk van de programma-output. En in deze tijd, lang voor e-mail, berustte de communicatie tussen het team vaak op handgeschreven papieren notities.
Prijsloze gesteenten
MIT’s betrokkenheid bij de geofysische kant van het Apollo-programma gaat ook terug tot de vroege planningsfasen – en gaat tot op de dag van vandaag door. Professor Nafi Toksöz, een expert op het gebied van seismologie, heeft bijvoorbeeld geholpen bij de ontwikkeling van een seismisch meetstation dat de astronauten op de maan hebben geplaatst, waar het heeft bijgedragen tot een beter begrip van de structuur en de vorming van de maan. “Het was het moeilijkste werk dat ik ooit heb gedaan, maar zeker ook het spannendste”, zei hij.
Toksöz zegt dat de gegevens van de Apollo-seismometers “ons begrip van de maan volledig hebben veranderd”. De seismische golven, die op aarde een paar minuten aanhouden, hielden twee uur aan, wat het gevolg bleek te zijn van het extreme gebrek aan water op de maan. “Dat was iets wat we nooit hadden verwacht, en nooit hadden gezien,” herinnert hij zich.
De eerste seismometer werd op het maanoppervlak geplaatst, heel kort nadat de astronauten waren geland, en seismologen waaronder Toksöz begonnen de gegevens meteen te zien – inclusief elke voetstap die de astronauten op het oppervlak zetten. Zelfs toen de astronauten terugkeerden naar de lander om te slapen voor de ochtendopstijging, kon het team zien dat Buzz Aldrin ScD ’63 en Neil Armstrong een slapeloze nacht hadden, met elke draai en draai plichtsgetrouw geregistreerd op de seismische sporen.
MIT-professor Gene Simmons behoorde tot de eerste groep wetenschappers die toegang kreeg tot de maanmonsters zodra NASA ze uit quarantaine had vrijgegeven, en hij en anderen van wat nu het Department of Earth, Planetary and Atmospheric Sciences (EAPS) is, zijn sindsdien aan deze monsters blijven werken. Als onderdeel van een conferentie op de campus heeft hij een aantal monsters van maangesteente en -grond voor het eerst van dichtbij aan het publiek laten zien, waarbij sommige mensen de monsters misschien zelfs hebben kunnen aanraken.
Anderen in EAPS hebben die Apollo-monsters ook bijna vanaf het begin bestudeerd. Timothy Grove, de Robert R. Shrock Professor in Aard- en Planeetwetenschappen, begon in 1971 met het bestuderen van de Apollo-monsters als afgestudeerd student aan de Harvard Universiteit, en heeft er sindsdien onderzoek naar gedaan. Grove zegt dat deze monsters hebben geleid tot belangrijke nieuwe inzichten in de vorming van planeten, die ons hebben geholpen om ook de aarde en andere planeten beter te begrijpen.
Ondere bevindingen waren dat de verhoudingen van de isotopen van zuurstof en andere elementen in de maanrotsen identiek waren aan die in aardse rotsen, maar totaal verschillend van die van meteorieten, wat bewijst dat de aarde en de maan een gemeenschappelijke oorsprong hadden en leidt tot de hypothese dat de maan is ontstaan door een reusachtige inslag van een lichaam ter grootte van een planeet. De stenen toonden ook aan dat het gehele oppervlak van de maan waarschijnlijk ooit gesmolten is geweest. Het idee dat een planetair lichaam bedekt kon zijn met een oceaan van magma was een grote verrassing voor geologen, zegt Grove.
Vele raadsels blijven tot op de dag van vandaag bestaan, en de analyse van de rots- en bodemmonsters gaat door. “
Er wordt nog steeds veel opwindends gevonden in deze monsters.
De feiten op een rijtje zetten
In de stroom van publiciteit en nieuwe boeken, artikelen en programma’s over Apollo, zijn onvermijdelijk enkele feiten – sommige triviaal, sommige inhoudelijk – onderweg door elkaar gegooid. “Er zijn een aantal mythes die naar voren worden gebracht,” zegt Tylko, waarvan hij er een aantal behandelt in zijn “Engineering Apollo” les. “Mensen hebben de neiging om veel aspecten van de missie te simplificeren”, zegt hij.
Veel verslagen hebben bijvoorbeeld de opeenvolging van alarmen beschreven die uit de geleidingscomputer kwamen tijdens de laatste vier minuten van de missie, waardoor de vluchtleiders gedwongen werden om de gewaagde beslissing te nemen om door te gaan ondanks de onbekende aard van het probleem. Maar Don Eyles, een van de programmeurs van het Instrumentation Lab die de landingssoftware voor de AGC had geschreven, zegt dat hij geen enkel verslag kan bedenken dat hij over die opeenvolging van gebeurtenissen heeft gelezen dat het helemaal juist heeft. Volgens Eyles, hebben velen beweerd dat het probleem werd veroorzaakt door het feit dat de rendez-vous radar schakelaar was blijven staan, zodat de gegevens ervan de computer overbelastten en het veroorzaakten om opnieuw op te starten.
Maar Eyles zegt dat de werkelijke reden een veel complexere opeenvolging van gebeurtenissen was, met inbegrip van een cruciale mismatch tussen twee circuits die alleen in zeldzame omstandigheden zou voorkomen en dus moeilijk te detecteren zou zijn geweest bij het testen, en een waarschijnlijk last-minute beslissing om een vitale schakelaar in een positie te zetten die het mogelijk maakte om het te laten gebeuren. Eyles heeft deze details beschreven in een memoires over de Apollo-jaren en in een technisch artikel dat online beschikbaar is, maar hij zegt dat het moeilijk is ze eenvoudig samen te vatten. Maar hij denkt dat de schrijver Norman Mailer het dichtst in de buurt komt, door de essentie ervan te vatten in zijn boek “Of a Fire on the Moon,” waar hij het probleem beschrijft als veroorzaakt door een “sneak circuit” en een “ondetecteerbare” fout in de controlelijst aan boord.
Sommige verslagen hebben de AGC beschreven als een zeer beperkte en primitieve computer in vergelijking met de gemiddelde smartphone van vandaag, en Tylko erkent dat het een fractie van de kracht van de huidige slimme apparaten had – maar, zegt hij, “dat betekent niet dat ze ongesofisticeerd waren.” Hoewel de AGC slechts ongeveer 36 kilobytes aan alleen-lezen geheugen en 2 kilobytes aan willekeurig toegankelijk geheugen had, “was het uitzonderlijk geavanceerd en maakte het optimaal gebruik van de middelen die op dat moment beschikbaar waren,” zegt hij.
In sommige opzichten was het zelfs zijn tijd vooruit, zegt Tylko. De compilertaal bijvoorbeeld, die Laning samen met Ramon Alonso op het Instrumentation Lab ontwikkelde, gebruikte een architectuur die volgens hem relatief intuïtief was en gemakkelijk in de omgang. Gebaseerd op een systeem van “werkwoorden” (uit te voeren handelingen) en “zelfstandige naamwoorden” (te bewerken gegevens), “had het waarschijnlijk zo in de architectuur van PC’s kunnen worden opgenomen”, zegt hij. “Het is een elegante interface, gebaseerd op de manier waarop mensen denken.”
Sommige verslagen gaan zo ver dat ze beweren dat de computer tijdens de afdaling uitviel en astronaut Neil Armstrong de besturing moest overnemen en handmatig moest landen, maar in feite was gedeeltelijke handmatige besturing altijd onderdeel van het plan, en de computer bleef gedurende de hele missie de uiteindelijke controle houden. Geen van de boordcomputers heeft ooit een storing gehad tijdens het hele Apollo-programma, volgens astronaut David Scott SM ’62, die de computer op twee Apollo-missies gebruikte: “We hebben nooit een storing gehad, en ik denk dat dat een opmerkelijke prestatie is.”
Achter de schermen
Op het hoogtepunt van het programma werkten in totaal zo’n 1700 mensen bij MIT’s Instrumentation Lab aan de software en hardware van het Apollo-programma, volgens Draper, de opvolger van het Instrumentation Lab, dat in 1973 van MIT werd afgesplitst. Een paar van hen, zoals de bijna legendarische “Doc” Draper zelf – Charles Stark Draper ’26, SM ’28, ScD ’38, voormalig hoofd van het Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro) – zijn alom bekend geworden vanwege hun rol in de missie, maar de meesten deden hun werk in bijna-anonimiteit, en velen gingen na afloop van het Apollo-programma verder met heel ander werk.
Margaret Hamilton, die de leiding had over de afdeling Software Engineering van het Instrumentation Lab, was buiten het programma zelf weinig bekend totdat een iconische foto van haar naast de originele stapels AGC-code halverwege de jaren 2010 de ronde begon te doen op sociale media. In 2016, toen ze de Presidential Medal of Freedom kreeg uitgereikt door president Barack Obama, zei MIT-professor Jaime Peraire, toenmalig hoofd van AeroAstro, over Hamilton: “Ze was een echte pionier op het gebied van software engineering, en het is geen hyperbool om te zeggen dat zij, en de Instrumentation Lab’s Software Engineering Division die zij leidde, ons op de maan hebben gezet.” Na de Apollo richtte Hamilton een bedrijf op voor softwarediensten, waar ze nog steeds leiding aan geeft.
Vele anderen die een belangrijke rol hebben gespeeld bij de ontwikkeling van software en hardware hebben in de loop der jaren ook weinig erkenning gekregen voor hun rol. Hal Laning ’40, PhD ’47 bijvoorbeeld, die de programmeertaal voor de AGC ontwikkelde, bedacht ook het besturingssysteem, dat gebruik maakte van wat toen een nieuwe manier was om met meerdere programma’s tegelijk om te gaan, door aan elk programma een prioriteitsniveau toe te kennen, zodat de belangrijkste taken, zoals het besturen van de stuwraketten van de maanmodule, altijd zouden worden afgehandeld. “Hal was de meest briljante persoon met wie we ooit hebben mogen samenwerken”, vertelde Instrumentation Lab-ingenieur Dan Lickly aan MIT Technology Review. En dat prioriteitsgestuurde besturingssysteem bleek van cruciaal belang om de landing van de Apollo 11 veilig te laten verlopen, ondanks de 1202 alarmen die tijdens de maanafdaling afgingen.
Hoewel de meerderheid van het team dat aan het project werkte man was, herinnert software-ingenieur Dana Densmore zich dat, vergeleken met het zwaar door mannen gedomineerde personeelsbestand bij NASA in die tijd, het MIT-lab relatief gastvrij was voor vrouwen. Densmore, die toezicht hield op de software voor de maanlanding, vertelde aan The Wall Street Journal dat “NASA een paar vrouwen had, maar dat ze die verborgen hielden. Op het lab was dat heel anders,” en daar kregen vrouwen de kans om een belangrijke rol in het project te spelen.
Hamilton herinnert zich de sfeer op het Instrumentation Lab in die tijd als een sfeer van echte toewijding en meritocratie. Aan MIT News vertelde ze in 2009: “Het bedenken van oplossingen en nieuwe ideeën was een avontuur. Toewijding en inzet waren vanzelfsprekend. Wederzijds respect was er over de hele linie. Omdat software een mysterie was, een zwarte doos, gaf het hoger management ons volledige vrijheid en vertrouwen. We moesten een manier vinden en dat deden we. Terugkijkend waren we de gelukkigste mensen ter wereld; er was geen andere keuze dan pioniers te zijn.”