Myśleliście, iż lot na Marsa musi trwać wieki tylko dlatego, iż tak powiedział Von Braun? Fizycy właśnie udowodnili, iż byliśmy po prostu mało kreatywni w planowaniu tras.
Tradycyjna podróż na Marsa i z powrotem to wyprawy liczone w latach, z czego znaczna część to czekanie na odpowiedni moment do powrotu. Brazylijski fizyk Marcelo de Oliveira Souza z Uniwersytetu Stanowego Północnego Rio de Janeiro właśnie opublikował w prestiżowym czasopiśmie Acta Astronautica badanie, które pokazuje, jak skrócić ten czas do zaledwie 153 dni. Klucz to orbita asteroidy, która przypadkiem wskazała niewidzialny korytarz prowadzący z Ziemi na Marsa i z powrotem.
Dlaczego lot na Marsa trwa tak absurdalnie długo?
Na pierwszy rzut oka odległość między Ziemią a Marsem nie powinna stanowić aż takiego problemu. W najbliższym punkcie zbliżenia (pozycji, gdy obie planety są po tej samej stronie Słońca) Mars oddala się od Ziemi o zaledwie 55 mln km. To mniej niż połowa odległości Ziemia-Słońce.
Problem jednak w tym, iż rakiety nie latają w linii prostej. Podróż międzyplanetarna to ciągłe negocjowanie z grawitacją – Słońca, Ziemi, Marsa. Najbardziej energooszczędna trasa, tzw. orbita transferowa Hohmanna, opracowana jeszcze w latach 20. XX w., polega na wystrzeleniu statku na eliptyczną orbitę, która w jednym punkcie styka się z orbitą Ziemi, a w drugim z orbitą Marsa. Ta trasa zajmuje około 6-9 miesięcy w jedną stronę.
Ale to dopiero początek problemu. Po dotarciu na Marsa statek (lub załoga) musi czekać na odpowiednią konfigurację planet do powrotu, a ta pojawia się dopiero po około 14-16 miesiącach. Dopiero wtedy można wystartować z Marsa z powrotem na Ziemię, co zajmuje kolejne 6-9 miesięcy. Łączny czas misji w klasycznym scenariuszu to 2 do 3 lat. Dla robotów to nie jest problem. Dla ludzi niestety ogromny, bo każdy dodatkowy dzień w kosmosie to dodatkowa ekspozycja na promieniowanie kosmiczne, degradacja kości i mięśni w warunkach mikrograwitacji oraz obciążenie psychiczne izolacji.
Asteroida jako kosmiczny drogowskaz
Wszystko zaczęło się w 2015 r. Oliveira Souza – fizyk i astrodynamik, nie pracownik żadnej agencji kosmicznej, ale profesor na prowincjonalnym brazylijskim uniwersytecie w Campos dos Goytacazes – analizował trajektorie asteroid bliskich Ziemi, korzystając z danych systemu JPL Horizons prowadzonego przez NASA. Wśród wielu obiektów zwrócił uwagę na asteroidę oznaczoną 2001 CA21.
Wczesne dane orbitalne tego obiektu z 2015 r. pokazywały coś ciekawego: przewidywana trajektoria CA21 przecinała orbity zarówno Ziemi, jak i Marsa, a jej płaszczyzna orbitalna miała dobrze zdefiniowaną geometrię, pochyloną lekko poniżej ekliptyki (płaszczyzny, w której Ziemia krąży wokół Słońca).
Późniejsze, dokładniejsze obserwacje zmieniły oficjalne elementy orbitalne asteroidy. Okazało się, iż jej rzeczywista trajektoria wygląda nieco inaczej, ale Oliveira Souza zauważył coś, co zwykle umyka planistom misji. Ta wczesna, wstępna orbita, mimo iż już nieaktualna jako opis ruchu asteroidy, definiowała geometryczną płaszczyznę, wzdłuż której mechanika orbitalna sprzyja szybkiemu transferowi między Ziemią a Marsem.
Oliveira Souza nie proponuje lecieć za asteroidą ani wykorzystywać jej grawitacji do manewru wspomagającego. Proponuje użyć jej wstępnej orbity jako narzędzia do przeszukiwania przestrzeni rozwiązań – swoistego filtra geometrycznego, który pozwala zidentyfikować trasy, jakich tradycyjne metody planowania mogą nie wykryć.
Właśnie dlatego skrócenie czasu misji jest jednym z priorytetów każdego, kto poważnie myśli o wysłaniu ludzi na Marsa. NASA, SpaceX, ESA – wszyscy szukają sposobów, żeby ten czas zmniejszyć. Oliveira Souza znalazł jeden. I to w miejscu, w które nikt wcześniej nie zaglądał.
153 dni tam i z powrotem
Oliveira Souza przeanalizował trzy kolejne opozycje Marsa – w 2027, 2029 i 2031 r. – szukając momentów, w których geometria Ziemia-Mars pokrywa się z korytarzem zdefiniowanym przez orbitę CA21. Ograniczył poszukiwania do tras, których nachylenie nie odbiega od płaszczyzny orbity asteroidy o więcej niż 5 stopni. Do konstruowania trajektorii użył metody Lamberta, czyli klasycznego narzędzia mechaniki orbitalnej, które wyznacza orbitę łączącą dwa punkty w przestrzeni w zadanym czasie. W połączeniu z efemerydami wysokiej dokładności z systemu JPL Horizons.
Co się okazuje, jedynie opozycja 2031 r. daje konfigurację, w której korytarz CA21 pokrywa się z geometrią Ziemia-Mars na tyle dobrze, żeby otworzyć trasę szybszą niż cokolwiek dotąd rozważanego. I to nie jedną trasę, ale dwie kompletne architektury misji tam i z powrotem.
Scenariusz ekstremalny to 33 dni w jedną stronę (Ziemia-Mars), 30 dni pobytu na orbicie lub powierzchni, 90 dni powrotu. Łącznie 153 dni. To mniej więcej 5 miesięcy. To niemal trzykrotnie krócej niż najkrótsze realistyczne scenariusze rozważane dotąd dla misji załogowych.
Scenariusz realistyczny to 56 dni w jedną stronę, pobyt na Marsie, 135 dni powrotu. Łącznie 226 dni – około 7,5 miesiąca. Ten wariant jest kompatybilny z technologią napędową, która istnieje już dziś lub jest w zaawansowanym stadium rozwoju.
Dla porównania, klasyczna misja na orbitach Hohmanna to minimum 600-900 dni. Misje z napędem jądrowym termicznym, rozważane przez NASA w ramach programu DRACO, zakładają skrócenie samego lotu w jedną stronę do około 100 dni, ale nie eliminują problemu czekania na okno powrotne.
To bardzo ważne ustalenia
Skrócenie misji z 2-3 lat do 5-7 miesięcy to nie tylko kwestia wygody. To tak naprawdę kwestia przeżycia załogi. W przestrzeni międzyplanetarnej astronauci są wystawieni na dwa rodzaje promieniowania: galaktyczne promieniowanie kosmiczne (stały strumień wysokoenergetycznych cząstek z głębin galaktyki) i cząstki energetyczne ze słonecznych erupcji. Na Ziemi chroni nas magnetosfera i atmosfera. Na trasie Ziemia-Mars nie chroni nic poza ścianami statku, które przy obecnych technologiach zatrzymują jedynie część promieniowania.
Każdy miesiąc w kosmosie to dodatkowa dawka, która zwiększa ryzyko nowotworów, uszkodzenia centralnego układu nerwowego i zaćmy. NASA szacuje, iż tradycyjna 3-letnia misja na Marsa narazi astronautów na dawkę promieniowania bliską, a być może przekraczającą, dopuszczalne limity kariery. Zmniejszenie czasu ekspozycji z 30 do 7 miesięcy zmienia to równanie fundamentalnie.
Mniej dni w podróży oznacza też mniej zapasów: żywności, wody, tlenu, leków, części zamiennych. To przekłada się na mniejszą masę statku, a mniejsza masa to mniej paliwa potrzebnego do rozpędzenia się i wyhamowania. Każdy zaoszczędzony kilogram zapasów zwalnia miejsce na instrumenty naukowe, systemy podtrzymywania życia lub dodatkowe zabezpieczenia.
