Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Wyprawa na Marsa

Wyprawa na Marsa
Buzz Aldrin powtórzył niedawno w amerykańskim senacie, że NASA powinna posłać ludzi na Marsa, ale też ostrzegł, że USA mogą w wyścigu o Czerwoną Planetę zostać wyprzedzone przez inne państwa. Powiedział jednak senatorom coś więcej.
Proponowane projekty misji marsjańskich
 
Das Marsprojekt - Pierwszy projekt, autorstwa Wernera von Brauna z 1952 r. 70-osobowa załoga, na pokładzie dziesięciu olbrzymich statków, odbyć miała trzyletnią podróż na Marsa.
 
MPK - Pierwszy radziecki projekt, z lat 1956-1957.
 
Mars Expedition - Modyfi kacja projektu von Brauna z roku 1956. Dwa statki zabierają tylko dwanaście osób, a masę statków zmniejszono o połowę.
 
Mars Direct - Projekt opisany w książce "The Case For Mars". Innowacyjnym pomysłem było wykorzystanie instalacji do produkcji paliwa z marsjańskich zasobów.
 
Mars Semi-Direct - Zmodyfi kowana przez NASA wersja projektu Mars Direct. Projekt zakłada wysłanie w pierwszej kolejności pojazdu powrotnego (Earth Return Vehicle, ERV) oraz orbitera. ERV wyląduje w przygotowanym miejscu na Marsie i zacznie produkcję paliwa z substancji dostępnych na powierzchni. Po kilku miesiącach zostanie wystrzelony właściwy statek z załogą i drugi ERV z orbiterem, dla następnych ekspedycji.
 
Lądownik wyląduje w pobliżu pierwszego ERV, a załoga prowadzić ma badania i kłaść podwaliny pod budowę przyszłej bazy. Po pewnym czasie drugi ERV powinien również wylądować w pobliżu bazy.
 
Podczas drogi powrotnej pierwszy ERV połączy się na orbicie z orbiterem i rozpocznie lot na Ziemię. W odpowiednich odstępach czasu wysyłane będą kolejne lądowniki, które zostaną połączone przez astronautów w kompleks mieszkaniowy i produkcyjny.
 
Design Reference Mission - Kolejne wersje stworzone przez NASA na bazie projektu Mars Direct pod koniec lat 90. XX wieku. Powstały trzy wersje oznaczane symbolami 1.0 (1994 r.), 3.0 (1997) oraz 4.0 (1998).
 
Design Reference Architecture 5.0 - W ujawnionej w 2007 r. przez NASA innej koncepcji załogowej misji na Marsa proponowano użycie sześciu rakiet Ares V oraz jednej rakiety Ares I. Pierwsza rakieta leci z habitatem (moduł mieszkalny), druga rakieta leci z modułem EDS (Earth Departure Stage) i paliwem potrzebnym do wysłania tej pierwszej na Marsa. Obie rakiety łączą się na niskiej orbicie okołoziemskiej.
 
Trzecia rakieta leci z lądownikiem, który służy jedynie przemieszczeniu się załogi z orbity marsjańskiej na powierzchnię planety i z powrotem. Czwarta rakieta zawiera moduł EDS i paliwo na wysłanie tej trzeciej na orbitę okołomarsjańską. Potem następuje 26 miesięcy przerwy.
 
Następnie leci piąta rakieta ze statkiem transferowym (MTV - Mars Transfer Vehicle) i szósta, z modułem EDS oraz paliwem na wysłanie tej piątej na Marsa. W końcu leci siódma, ostatnia rakieta, z załogą - Ares I. Łączą się na niskiej orbicie okołoziemskiej i lecą ok. 200 dni w stronę Czerwonej Planety.
 
Na orbicie okołomarsjańskiej załoga przesiada się do lądownika, który tam czeka i pozostawia na orbicie MTV, lądując w pobliżu Habitatu. Załoga pozostaje na powierzchni ok. 500 dni, po czym startuje tym samym lądownikiem na orbitę, gdzie przesiada się do MTV, którym znów po 200 dniach podróży wraca na Ziemię.
 Scenariusz projektu eksploracji kosmosu, którego celem jest misja na Marsa
1. Scenariusz projektu eksploracji kosmosu, którego celem jest misja na Marsa

Mianowicie to, że Ameryka musi zaakceptować fakt, iż jej wysłannicy z takiej misji być może nie powrócą, co oznaczałoby założenie tam stałej ziemskiej kolonii.

W 2004 r. prezydent Stanów Zjednoczonych George W. Bush po latach przerwy reaktywował plan eksploracji kosmosu przez człowieka.

Zakładał on ponowne wysłanie ludzi na Księżyc i sugerował możliwość wyekspediowania w dalszej przyszłości człowieka na Marsa. W 2010 r. kolejny prezydent, Barack Obama, nakreślił nową wizję.

Zgodnie z nią Ameryka miała jednak zrezygnować z lotu na Księżyc na rzecz wyprawy na planetoidę, potem na orbitę Marsa i wreszcie na Czerwoną Planetę, być może w okolicach roku 2040.

Jednocześnie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) planuje wysłać człowieka na Marsa ok. 2030 r. Z kolei w roku 2010 rozpoczął się w Rosji projekt MARS-500, polegający na symulacji na Ziemi warunków długotrwałej izolacji i pracy załogi.

Wybranych do niego zostało sześciu ochotników, którzy spędzili w odosobnieniu 520 dni. Wszystko razem brzmi jak prosta droga na Marsa w ciągu najbliższych dwóch-trzech dekad. Jednak w czerwcu 2014 r. amerykańska rada National Research Council w raporcie o możliwościach NASA, wnioskowała, iż przy obecnych ograniczeniach politycznych i finansowych osiągnięcie Marsa będzie trudne do wykonania przez jedno państwo.

NRC wręcz zasugerowała, aby w celu realizacji misji marsjańskiej nie rywalizować z Chinami, lecz nawiązać z nimi współpracę. NASA, wraz z ESA i kilkoma państwami przodującymi w technologiach kosmicznych, przygotowuje międzynarodowe globalne strategie eksploracji kosmosu. Wspólnie tworzą Międzynarodową Grupę Koordynacyjną Eksploracji Kosmosu (International Space Exploration Coordination Group - ISECG).

NASA sama w sobie opracowała jednak wiele wariantów i pomysłów na marsjańskie misje. Scenariusz opracowany przez ISECG (1) należy zatem traktować ramowo - w praktyce, jeśli zostanie zrealizowany, wyprawa załogowa na Czerwoną Planetę może odbiegać od poszczególnych punktów.

Wyprawa na Marsa - wizja
2. Wyprawa na Marsa - wizja

Chroniczny brak pieniędzy

Od września 2010 r. NASA realizuje program "Flexible Path", którego celem jest dotarcie człowieka na powierzchnię Marsa. Program ten powstał "na ruinach" realizowanego w latach 2004-2010 programu Constellation, anulowanego wskutek problemów technicznych i finansowych (NASA nigdy nie otrzymała zakładanych funduszy).

Według planu "Flexible Path" człowiek powinien wylądować na Czerwonej Planecie ok. 2040 r. Wcześniej nastąpiłaby seria coraz bardziej złożonych misji załogowych, które pozwoliłyby na zbudowanie potencjału technologicznego do marsjańskiej wyprawy.

"Flexible Path" realizowany jest już prawie cztery lata. Boryka się jednak z problemami finansowymi, a wiele z jego szczegółowych celów nie zostało wyraźnie wyznaczonych. Aktualnie znane są jedynie ogólne cele programu. Przeprowadza się jednak pierwsze konkretne badania związane z przygotowaniami do załogowej wyprawy na Marsa.

Np. na pokładzie pojazdu bezzałogowej misji Mars Science Laboratory umieszczono urządzenie mierzące poziom radiacji na powierzchni planety. Aby wyprawa na Marsa mogła się ziścić, zrealizowanych musi być wiele innych projektów.

Na układankę składają się różne, czasami niezwiązane bezpośrednio z marsjańską misją, elementy (2). Należy do nich np. przedłużenie pobytu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) na orbicie przynajmniej do 2024 r. (a bierze się pod uwagę jeszcze kolejne cztery lata).

Następnymi klockami w tej układance są bezzałogowe testy kapsuły załogowej Orion. Pierwszy już miał miejsce, w grudniu 2014 r. Drugi wyznaczono na koniec 2017 r. (będzie to zarazem pierwszy test nowej rakiety SLS).

Jedna z wizji przechwytywania asteroidy
3. Jedna z wizji przechwytywania asteroidy

Pierwsza misja załogowa Oriona poza niską orbitę okołoziemską ma odbyć się przed 2021 r. NASA postuluje, by jej celem była asteroida (Asteroid Redirect Mission - ARM), którą wcześniej wyprawa bezzałogowa sprowadziłaby w okolice Księżyca (3).

Nie wszyscy podchodzą do elementów "Flexible Path" z entuzjazmem. Główne zarzuty dotyczą wymogu budowy drogiej rakiety SLS i wysokich kosztów projektu.

NASA otrzymuje co roku ten sam budżet. W jego ramach trudno zrealizować tak ambitne przedsięwzięcie, jak wyprawa na inną planetę.

Wspomniana wcześniej rada National Research Council dokonała także porównania możliwości wsparcia eksploracji NASA za pomocą rakiet SLS oraz Falcon Heavy firmy SpaceX. Obie oceniono jako zdolne do wsparcia eksploracji oraz możliwe do budowy przy dzisiejszych technologiach. Na niekorzyść SLS przemawiają względy finansowe.

Trzeba jednak przyznać, że Falcon Heavy ma mniejszą nośność, co oznacza potrzebę wykonania większej liczby startów oraz "podzielenia" wynoszonego sprzętu na mniejsze elementy, a to wprowadza ryzyko opóźnień startów i całego terminarza lotów.

Najpierw asteroida i zaopatrzenie

Ellen Stofan, szefowa zespołów naukowych NASA, przyznała kilka miesięcy temu w wywiadzie dla "NewScientist", że wyprawa na Marsa nie jest jeszcze wykonalna, ale możliwa stanie się w latach 30. tego wieku. Kluczowy dla powodzenia takiego przedsięwzięcia będzie inny projekt NASA - wspomniany Asteroid Redirect Mission, choć nie dla każdego ma on oczywisty związek z ekspedycją załogową na Czerwoną Planetę.

Amerykanie z całą powagą powtarzają, że bez przechwycenia i sprowadzenia na orbitę księżycową asteroidy trudno sobie wyobrazić lot ludzi na Marsa. Dzięki przechwyceniu kosmicznej skały przetestowana zostanie technologia napędu opartego na uzyskiwaniu energii elektrycznej z ogniw słonecznych (SEP).

Energia pozyskiwana z paneli słonecznych służyć w nim ma do wytwarzania silnych pól elektromagnetycznych w silniku jonowym. Rozwiązanie takie pozwala na znaczne oszczędności, bowiem w przypadku bardziej tradycyjnych silników rakietowych na paliwo stałe statek musiałby zabrać ze sobą spory zapas paliwa.

Jest to metoda zapewniająca mniejsze prędkości niż potężne rakiety, ale znacznie bardziej efektywna. Chodzi o to, aby ją sprawdzić na prawdziwie ciężkim ładunku, a takim może być właśnie niewielka asteroida.

Do końca 2014 r. NASA miała się zdecydować, czy będzie chciała użyć systemu, który "obejmie" asteroidę za pomocą rozwijanej płachty, czy raczej przymocuje go robotycznym ramieniem do statku holującego (w drugim przypadku można by pociągnąć obiekt o znacznie większych rozmiarach).

Późniejsza, załogowa misja, zadokowałaby do asteroidy za pośrednictwem znajdującego się już przy nim statku ARM i mogłaby podjąć eksplorację powierzchni asteroidy. Jednak w grudniu agencja odłożyła decyzję.

Projektujący misję na Marsa zakładają, że najpierw na tę planetę wysłane zostanie zaopatrzenie, a dopiero potem możliwie szybko dolecą astronauci. Cargo dostarczane na Marsa, czy to na potrzeby misji, czy wręcz dla hipotetycznych kolonistów, będzie musiało bezpiecznie lądować.

Nie mamy na razie gotowej do użytku technologii, która pozwoliłaby bezpiecznie wylądować na Marsie tak dużym masom, czyli zarówno zaopatrzeniu i infrastrukturze, które mają czekać na marsonautów na powierzchni, jak też załogowemu statkowi-lądownikowi.

Atmosfera tej planety jest bardzo rzadka w porównaniu z ziemską, a hamować trzeba będzie z bardzo dużych prędkości. Dotychczasowe bezzałogowe zejścia na powierzchnię tej planety dowiodły, że jest to ekstremalnie trudne zadanie.

Konstruowany przez NASA talerz latający, którego pełna angielskojęzyczna nazwa brzmi Low Density Supersonic Decelerator (LDSD), ma dzięki trzydziestometrowemu spadochronowi pozwolić na spowolnienie spadającej w atmosferze kapsuły do "zaledwie" dwukrotności prędkości dźwięku.

W założeniu LDSD ma umożliwić transport i bezpieczne zrzucanie na powierzchnię Marsa ładunków sięgających 100 ton. W ubiegłym roku odbyły się testy transportowego spodka w bazie marynarki wojennej w Kauai na Hawajach (4).

Zdjęcie z testów aparatu Low Density Supersonic Decelerator
4. Zdjęcie z testów aparatu Low Density Supersonic Decelerator

Żyć i podróżować w habitacie

Z projektem podróży na Marsa nie mogą się równać żadne z dotychczas podejmowanych misji kosmicznych. Przede wszystkim oznacza to nie kilka tygodni, lecz w sumie kilka lat w kosmosie! Nie będzie możliwości szybkiej rezygnacji z misji i powrotu na Ziemię, jeśli coś poszłoby nie tak.

Usterki trzeba będzie naprawiać po drodze, także te dotyczące ludzi, czyli rany i choroby. Nawet atak wyrostka robaczkowego w drodze mógłby równać się wyrokowi śmierci. Poza tym trzeba brać pod uwagę wszystkie psychologiczne obciążenia związane z życiem i pracą w zamkniętej przestrzeni, w oddaleniu od rodzinnej planety przez lata.

Statek Orion nie jest w stanie sam polecieć na Marsa. Zaprojektowany został do misji trwających maksymalnie 21 dni. Podróż na powierzchnię Księżyca możliwa będzie dopiero po skonstruowaniu odpowiedniego lądownika. Aby polecieć dalej, na spotkanie z asteroidami lub z Marsem, potrzeba statku podróżnego (habitatu), w którym astronauci mogliby zamieszkać na wiele miesięcy.

Wyprawa na Czerwoną Planetę wymagałaby w zasadzie użycia małej stacji kosmicznej, aby zapewnić załodze wszystkie potrzebne zasoby. Istnieje kilka projektów, jak rozwiązać tę kwestię. Jednym jest rozkładany moduł kosmiczny projektowany przez firmę Bigelow Aerospace.

Miałby być wynoszony w przestrzeń w formie spakowanej, a następnie "pompowany" już na orbicie, co pozwoliłoby udostępniać astronautom naprawdę przestronne przestrzenie do życia i pracy (5). W grudniu 2012 r. NASA podpisała wartą 17,8 mln dolarów umowę dotyczącą produkcji modułu testowego.

Statek kosmiczny z nadmuchiwanym modułem - wizualizacja
5. Statek kosmiczny z nadmuchiwanym modułem - wizualizacja

Znany pod nazwą Bigelow Expandable Activity Module (BEAM), ma zostać jeszcze w bieżącym roku połączony z Międzynarodową Stacją Kosmiczną i przez dwa lata badany pod kątem szczelności, odporności na promieniowanie czy zmiany temperatur.

Promieniowanie to główne zagrożenie dla astronautów w podróży na Marsa.

W przestrzeni międzyplanetarnej wieje nieustannie silny słoneczny wiatr promieniowania. Dodatkowo dociera tam promieniowanie spoza Układu Słonecznego.

Jego poziom został zmierzony przez łazik Curiosity podczas jego podróży na Marsa w 2012 r., co dało pojęcie, czego doświadczyć mogą ludzie podczas ewentualnej wyprawy.

Niestety, wyniki pomiarów nie napawają optymizmem. Podczas trwającej osiem miesięcy podróży na Czerwoną Planetę łazik mierzył ilość uderzających w niego cząstek o wysokiej energii. Detektor RAD (Radiation Assessment Detector) był włączony przez większą część trasy i mierzył natężenie wysokoenergetycznych cząstek - głównie protonów - przenikających do kapsuły, w której znajdował się łazik.

Do wnętrza kapsuły przenikało każdego dnia 1,84 milisiwertów promieniowania. Oznacza to, że astronauci podczas podróży na Marsa, pobytu na tej planecie i powrotu otrzymają dawki promieniowania wielokrotnie przekraczające normy.

Groziłyby śmiałkom zapadnięciem na choroby nowotworowe, utratą wzroku i zaburzeniami pracy układu nerwowego. Dochodzi do tego problem z mikrograwitacją. Nasze muskuły zaczynają tracić masę bez ziemskiego przyciągania, z którym się nieustannie zmagają.

Kręgosłupy astronautów w takich anormalnych warunkach wydłużają się, wywołując bóle i powodując możliwość wyskakiwania dysków, gdy organizmy powrócą do warunków normalnej grawitacji. Takie niebezpieczeństwo pojawiłoby się również na Marsie, chociaż przyciąganie ma tam wartość jedynie 38 procent ziemskiego.

Astronauta Andreas Mogensen, który zostanie w bieżącym roku wysłany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) na ISS, będzie ubrany w obcisły kombinezon, który, jak liczą specjaliści, pozwoli zapobiec niektórym skutkom mikrograwitacji.

Jeśli pomysł się sprawdzi, rozwiązanie mogłoby pomóc astronautom dotrzeć do Marsa w lepszej formie, tak aby mogli od razu wziąć się do zaplanowanej pracy, bez konieczności przechodzenia tam rehabilitacji.

NASA postanowiła również przygotować dla uczestników marsjańskiej misji towarzystwo w postaci humanoidalnych robotów potrafiących pobrać krew, przeprowadzić resuscytację krążeniowo-oddechową, a nawet operację.

Trwają prace doskonalące projekt humanoidalnego robota Robonaut 2. Jego pierwotna wersja była pierwszym człekokształtnym robotem w kosmosie - w 2011 r. wraz z misją STS-133 znalazł się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

NASA zaangażowała się też w badania prowadzone przez firmę SpaceWorks Enterprises nad stanem znanym jako torpor. To stan kontrolowanego obniżenia temperatury ciała przez zwierzęta stałocieplne. Spowalniana jest wówczas praca organizmu.

W torpor wchodzą m.in. nietoperze i małe ptaki. Zwykle trwa on od kilku godzin do kilku dni. Charakteryzuje się mniejszym stopniem spowolnienia metabolizmu niż hibernacja. Amerykanie chcą sprawdzić, czy możliwe jest bezpieczne wprowadzenie człowieka w torpor trwający ponad 180 dni.

Podstawy techniki są znane. Lekarze potrafią wywołać u pacjentów hipotermię w celach terapeutycznych. Używane przy tym specjalistyczne urządzenia mogą na kilka godzin wprowadzić człowieka w torpor - maksymalnie udało się to przez tydzień.

Nad uśpionymi astronautami trzeba będzie jeszcze na bieżąco czuwać. Konieczne jest więc opracowanie metody monitoringu w czasie rzeczywistym wraz z możliwością dostosowania torporu oraz wybudzenia astronauty w razie potrzeby.

Przy współczesnej technice podróż na Czerwoną Planetę potrwa najmniej pół roku. W tym czasie astronautom trzeba będzie zapewnić pożywienie, wodę, rozrywkę oraz dostarczyć energię do systemów umożliwiających przeżycie wewnątrz pojazdu kosmicznego.

Gdyby jednak udało się wprowadzić podróżników w stan głębokiego snu, nie potrzebowaliby oni rozrywki, a ich zapotrzebowanie na wodę i pożywienie zostałoby znacznie zredukowane. Można by też zmniejszyć ilość zużywanej przez nich energii.

Wizja bazy marsjańskiej
6. Wizja bazy marsjańskiej

Szpinak dla Marsa

Technologia druku 3D to kolejne rozwiązanie, które może się przydać podczas załogowego lotu na Marsa. Na pokładzie ISS przeprowadzono już pierwsze testy urządzenia do druku trójwymiarowego produkcji firmy Made in Space. Stworzone przez astronautów narzędzia i części zamienne wróciły na Ziemię w celu przeprowadzenia testów sprawdzających.

NASA wspiera technologię druku 3D także dlatego, że może ona umożliwić budowę bazy na innej planecie, z wykorzystaniem zaprogramowanych robotów. Obecnie NASA dofinansowuje Uniwersytet Południowej Kalifornii, który rozwija metodę zwaną Contour Crafting.

Marsjańska minicieplarnia - wizualizacja
7. Marsjańska minicieplarnia - wizualizacja

Ma ona pozwalać na budowę domów w ciągu 24 godzin. Projektowany system będzie działał jak wielka drukarka 3D. Ruchome ramię zaopatrzone ma być w dozownik materiału budowlanego, czyli betonu albo np. gruntu z powierzchni Marsa.

Technika polega na warstwowym umieszczaniu budulca, który utworzyć ma ściany budynku, zgodnie z wcześniej ustalonym projektem.

Okazuje się, że myśli się także o wykorzystaniu energetycznego potencjału wszystkiego, co… pozostaje po ludzkiej przemianie materii. Uczeni proponują bowiem wykorzystanie odchodów do produkcji paliwa rakietowego.

Na łamach specjalistycznego periodyku "Advances in Space Research" naukowcy z Uniwersytetu Florydy informują, że udało im się opracować metodę przetwarzania biogazu na paliwo do silników rakietowych. NASA dostarczyła im odpowiednią ilość odpadków (syntetyzowanych chemicznie), które mogą powstać podczas dłuższego pobytu w kosmosie astronautów.

Były tam również resztki jedzenia, brudy po praniu itp. Naukowcy Abhishek Dhoble oraz Pratap Pullammanappallil badali, ile uda się z tego otrzymać metanu. Gaz ten od pewnego czasu rozważany jest jako alternatywa dla wodoru w silnikach rakietowych - budowany przez SpaceX silnik rakietowy Raptor ma używać metan i ciekły tlen.

W opracowanym przez obu naukowców procesie beztlenowej fermentacji udało się uzyskać przeciętnie 290 litrów metanu na jednego członka załogi w ciągu tygodnia. Ponadto ich system wytwarza 750 litrów wody, nienadającej się wprawdzie do picia, ale którą można w procesie elektrolizy rozłożyć na wodór i tlen - oba gazy z pewnością przydadzą się w podróży kosmicznej.

Biogaz może być wykorzystany np. do ogrzewania inspektów, w których będzie rosła żywność dla marsonautów - mieszkańców bazy na tej planecie (6) czy ewentualnych kolonistów. Takich choćby jak minicieplarni (7), która wygrała w rozpisanym przez NASA międzynarodowym konkursie na projekt "aplikacji kosmicznej".

Zaprojektowany przez grupę studentów system nazywany jest "Popeye on Mars" (Popeye na Marsie). Jego zadaniem bowiem ma być kultywowanie małych upraw szpinaku, którym mieliby się żywić pierwsi koloniści. "Popeye" oprócz pożywienia produkować ma - co oczywiste, gdy się zna naturę fotosyntezy - także tlen dla marsonautów.