Jak misja księżycowa Artemis może pomóc nam dotrzeć na Marsa?

Ilustracja nadchodzącego Space Launch System, rakiety, która ma być używana w całym programie Artemis. NASA/MSFC

Gdyby Bóg chciał, aby człowiek stał się gatunkiem podróżującym w kosmosie, dałby człowiekowi księżyc. Słynny naukowiec rakietowy Krafft Ehricke wypowiedział te słowa w 1984 roku. Chciał podkreślić, w jaki sposób możemy wykorzystać księżyc jako trampolinę do rozszerzenia ludzkiej cywilizacji na resztę Układu Słonecznego. Minęło ponad dziesięć lat od ostatniej misji Apollo na Księżyc, a Ehricke obserwował, jak NASA i reszta amerykańskiego programu kosmicznego wycofują się z nadziei na zbadanie bardziej odległych światów, takich jak Mars, i zamiast tego skupienie się na orbicie Ziemi.

Ameryka w końcu szuka powrotu na księżyc z Artemidą, ambitną ( i nierealne ) celem wysłania astronautów do 2024 roku. Ale dla Białego Domu i NASA misja to coś więcej niż tylko sprowadzenie ludzi z powrotem na powierzchnię Księżyca. Księżyc jest również doskonałą bazą wypadową do ustanowienia programu kontynuacji podróży na Marsa. W przypadku obu miejsc celem nie jest po prostu podłożenie flagi i powrót na Ziemię – to utrzymanie stałej obecności ludzi do życia i pracy.

Wracamy na Księżyc po odkrycia naukowe, korzyści ekonomiczne i inspirację dla nowej generacji odkrywców, administrator NASA Jim Bridenstine powiedział 21 września, gdy agencja opublikowała swoje najnowsze plany dotyczące programu Artemis. Budując zrównoważoną obecność, nabieramy również rozpędu w kierunku tych pierwszych ludzkich kroków na Czerwonej Planecie.

Ale agencja nigdy nie wyjaśniła jasno, jak to ma się odbywać. Najważniejsze projekty, które mają umożliwić Artemis — rakieta nowej generacji Space Launch System i kapsuła załogi Orion — nie zostały jeszcze ukończone. Większość ekspertów zgadza się program jest niedofinansowany . Szef ludzkich badań w NASA był zastępowany trzykrotnie w ciągu ostatniego roku. Agencja nie ma nawet wybranego lądownika księżycowego . Więc nawet jeśli dotrzemy na Księżyc w 2024 r. (w żadnym wypadku nie jest to pewne), w jaki sposób możemy zapewnić, że osada na Marsie będzie następna?

Największym problemem, jaki mamy teraz, jest to, że nie wiemy, jak żyć i pracować wydajnie poza Ziemią – mówi Clive Neal, geolog z University of Notre Dame i ekspert w dziedzinie eksploracji Księżyca. Nie mamy pojęcia. Nigdy nie przetestowaliśmy odpowiednio technologii potrzebnych do życia i pracy w kosmosie przez wiele miesięcy lub lat, w trudnych warunkach o znacznie niższych temperaturach, znacznie wyższych ilościach promieniowania, niższym poziomie grawitacji i braku tlenu i woda.

Ale mamy własne laboratorium na naszym podwórku, w którym możemy wypróbować te rzeczy, mówi Neal. Wraz z wieloma kolegami niedawno napisał m.in nowy raport wydany przez Explore Mars, grupę promującą zrównoważoną eksplorację kosmosu. Raport identyfikuje dziesiątki działań i technologii krytycznych dla eksploracji Marsa, które można rozwijać i testować dzięki Artemis i trwającym wysiłkom eksploracji Księżyca.

Niektóre rzeczy istotne dla Marsa zostaną udowodnione na Księżycu niemal natychmiast po wystrzeleniu Artemidy III (planowana misja załogowa na powierzchnię Księżyca w 2024 r.). Podtrzymywanie życia jest na szczycie listy. Ludzie nigdy wcześniej nie budowali długoterminowych siedlisk na innym świecie. Chociaż będziemy stosować wiele z tego, czego nauczyliśmy się podczas długotrwałych misji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, nadal będziemy musieli upewnić się, że baza księżycowa i baza na Marsie mogą zapewnić podstawowe potrzeby, takie jak żywność, woda i schronienie .

Budowanie i testowanie tych systemów wymaga doświadczenia. Myślę, że kluczową sprawą będzie zagłębienie się większej liczby ludzi w środowisko księżycowe, mówi Joe Cassady, dyrektor wykonawczy ds. operacji kosmicznych w Aerojet Rocketdyne i jeden z głównych redaktorów raportu Explore Mars. Od samego początku będziemy potrzebować zbioru doświadczeń i danych od ogromnej liczby różnych astronautów w misjach trwających tygodnie lub miesiące. Doświadczenia te poinformują, jak inżynierowie budują siedliska, skafandry kosmiczne i systemy transportu naziemnego odpowiednie dla ludzi.

Aby zapewnić trwałość tych siedlisk w czasie, musisz zbudować coś trwałego. Okna uruchamiania misji na Marsa (kiedy planeta znajduje się najbliżej Ziemi) pojawiają się tylko co 26 miesięcy, więc każda misja na Marsa w obie strony mieć wymaga czasu na oczekiwanie na ponowne otwarcie tego okna. Gdyby podróż trwała, powiedzmy, dziewięć miesięcy, musiałbyś wydać minimum trzy do czterech miesięcy na Marsie zanim będzie można zacząć wracać do domu. Możesz przynieść wystarczającą ilość zapasów na te wszystkie miesiące, albo skorzystać z zasobów spoza tego świata. A pierwsza opcja jest prawie nierozpoczyna. Musisz korzystać z lokalnych zasobów, mówi Neal. Próba zabrania wszystkiego ze sobą, aby zapewnić marsjańskim astronautom bezpieczeństwo i zdrowie, po prostu nie zadziała.

Lód wodny będzie kluczowym zasobem. Mógłby dostarczać wodę i tlen do podtrzymania życia systemów podtrzymywania życia, a także można by go rozłożyć na wodór i tlen, aby wykorzystać go jako paliwo rakietowe. Mogłoby być stosowany jako osłona przed promieniowaniem kosmicznym oraz bombardowanie mikrometeorytem za wszelkie schronienia, które są budowane na Księżycu.

Wiemy, że na Marsie jest mnóstwo lodu wodnego. Jesteśmy też prawie pewni, że na Księżycu jest dużo lodu wodnego, co czyni go idealnym środowiskiem do testowania technologii potrzebnych do poszukiwania tych rezerw, wydobywania ich, oczyszczania i przekształcania w coś, co może pomóc w utrzymaniu trwa ugoda.

Te technologie byłyby bardzo podobne dla obu światów. Księżyc jest bardziej ekstremalnym środowiskiem, co oznacza, że ​​jeśli działa na Księżycu, będzie działał na Marsie, mówi Neal. Ma nadzieję, że inżynierowie zaprojektują sprzęt niezależny od świata.

Obecność lodu wodnego nieco wzmacnia argumenty za prowadzeniem systemu napędowego statku kosmicznego opartego na wodorze, a nie na metanie (coś, co SpaceX realizuje dzięki swoim silnikom Raptor). Raport stwierdza, że ​​chociaż wodór można wytwarzać lokalnie na obu światach, metan może być wytwarzany z lokalnych zasobów tylko na Marsie, gdzie atmosfera ciężka w dwutlenek węgla stanowi gotowe źródło węgla. Jak czytamy w raporcie, jakakolwiek produkcja metanu na Księżycu wymagałaby importu źródła węgla.

Raport zaleca również stosowanie systemów zasilania, które nie są całkowicie zależne od słońca. Na Marsie, z jego większą odległością i zakurzoną atmosferą, układy energii słonecznej miałyby więcej problemów z przekształceniem światła słonecznego w energię.

Najbardziej oczywistym podejściem wydaje się być energetyka jądrowa. Utrzymanie schronienia na Księżycu nie wymagałoby zbyt wiele energii, ale wymagałoby ogromnych ilości energii, aby przeprowadzić operacje wydobywcze wymagane do zbierania i przetwarzania lodu wodnego. Eksperci z branży wydobywczej powiedzieli Nealowi, że prawdopodobnie przyjrzą się systemom, które mogą zapewnić moc w zakresie megawatów. To była pobudka, mówi. Ludzie w świecie planetarnym nie nawiązali takich powiązań z przemysłem wydobywczym. W tym przypadku energia słoneczna byłaby raczej zapasowym źródłem energii na obu światach niż podstawowym. Niewiele jest bezpieczniejszych środowisk do testowania nowych systemów jądrowych niż Księżyc — bezludne, odludne środowisko.

Księżyc jest również lepszym miejscem do symulacji misji na Marsa, szczególnie jeśli chodzi o Gateway, planowaną stację kosmiczną zaprojektowaną na orbitę księżycową. Zasadniczo będzie służył jako baza wypadowa dla wszelkich misji NASA na powierzchnię Księżyca (zarówno z załogą, jak i zrobotyzowanych), a także dla późniejszych misji kosmicznych na Marsa. Pierwsze dwa elementy Gateway (moduł zasilania i napędu oraz moduł mieszkalny) mają zostać uruchomione w 2023 roku.

W swoim raporcie Cassady jego koledzy zasugerowali, że jednym ze sposobów może być pozostawienie załogi naksiężycowy Stacja kosmiczna bramyprzez 60 do 90 dni, przeprowadź symulowaną misję Marsa na powierzchni Księżyca przez 30-kilka dni, a następnie zakończ kolejny pobyt w Gateway przez 90 dni przed powrotem do domu. To byłaby skompresowana wersja misji na Marsa. Symulowałaby zmieniające się warunki mikrograwitacyjne, z jakimi borykamy się podczas takiej podróży, i dawałaby astronautom przedsmak tego, jak może wyglądać misja na Marsa. Nowość NASA Zarys Artemidy posuwa się do stwierdzenia, że ​​system operacyjny Gateway-to-surface jest również analogiczny do tego, jak może działać ludzka misja na Marsa – ze zdolnością załogi do pozostawania na orbicie i rozmieszczenia na powierzchni.

Wreszcie, ugoda na Marsie nie zadziała dobrze, chyba że opracujemy autonomiczne systemy, które nie wymagają ścisłego nadzoru. Ekipy naziemne na Ziemi nadal mogą kontrolować rzeczy na Księżycu niemal w czasie rzeczywistym, ale opóźnienie w komunikacji z Ziemi na Marsa może wynosić nawet 22,4 minuty. Jeśli katastrofa [na Marsie] wydaje się taka, jak w przypadku Apollo 13, nie masz na miejscu zespołu inżynierów, którzy diagnozowaliby i rozwiązywali problem w czasie rzeczywistym, mówi Casey Dreier, ekspert ds. polityki kosmicznej w Planetary Society. Księżyc to jedyne dobre środowisko, w którym musimy naprawdę testować i ulepszać zautomatyzowane systemy, które mogą niezawodnie działać bez tego rodzaju kontroli człowieka.

Istnieje obawa, że ​​amerykański program kosmiczny może stanąć w obliczu ostrej zmiany priorytetów po listopadowych wyborach, jak to miało miejsce w poprzednich latach. Ale jak dotąd Partia Demokratyczna wydaje się być na pokładzie. Sformułowanie w jego Platforma 2020 brzmi: Wspieramy prace NASA mające na celu powrót Amerykanów na Księżyc i wyprawę dalej na Marsa, robiąc kolejny krok w odkrywaniu naszego Układu Słonecznego. Dreier zwraca uwagę, że prace nad Systemem Wyrzutni Kosmicznych i Orionem są prawie zakończone. Jest też wiele międzynarodowych wpisów dla Gateway, a Europa, Japonia, Kanada i prawdopodobnie Rosja mają odegrać rolę w jego rozwoju. Zmiana kursu byłaby teraz niezwykle trudna, nawet gdyby była pożądana.

Żaden z tych planów nie jest jednak wyryty w kamieniu. Nowy zarys Artemis NASA określa lepiej niż kiedykolwiek, w jaki sposób agencja zamierza sprowadzić ludzi na Księżyc do 2024 r., ale jest niezwykle lekki w szczegółach, w jaki sposób planuje spełnić standardy technologiczne dla zrównoważonej bazy księżycowej, która pomogłaby nam dostać się na Marsa.

Nawet w czasach, gdy słowa Ehricke są bliżej niż kiedykolwiek urzeczywistnienia, przeskoczenie z Księżyca na Czerwoną Planetę będzie wymagało dużo determinacji.

Poprawka 25.09.20: Oryginalna historia nieprecyzyjnie opisywała Clive'a Neala jako inżyniera. Neal jest geologiem.

ukryć