Misje: projektowanie długiej podróży
Wydostanie się z grawitacyjnej studni Ziemi to dopiero opłata wstępu. Długotrwałe misje na Księżyc, Marsa i dalsze księżyce wymagają rozwiązania problemów ochrony przed promieniowaniem kosmosu głębokiego, trwałości kriogenicznego paliwa oraz zamkniętych systemów biochemicznego przetrwania.
Kandydat na pilota w podstawowym teście na wirówce. Telemetria fizjologiczna monitoruje reakcję układu krążenia podczas długotrwałych obciążeń grawitacyjnych w wielu osiach.
Budżet delta-v i tankowanie na orbicie
Równanie Ciołkowskiego dla rakiet wyklucza możliwość, by pojedynczy statek wystartowany z powierzchni Ziemi, z zapasem paliwa wystarczającym do wejścia na orbitę Marsa, lądowania i powrotnego startu, został zbudowany przy użyciu rakiet chemicznych. Statek składałby się niemal wyłącznie ze zbiorników paliwa, bez żadnego zapasu miejsca na kabiny załogi czy ładunki naukowe.
Rozwiązaniem, które przeszło od prac teoretycznych do planowanych lotów testowych na orbicie, jest kriogeniczny transfer paliwa na orbicie. Bezzałogowy statek wynoszony na niską orbitę okołoziemską jest dokowany z kilkoma wyspecjalizowanymi lotami cystern, dzięki czemu zbiorniki są całkowicie uzupełniane przy prędkości 7,8 km/s przed wykonaniem manewru wprowadzenia na trajektorię do Marsa.
Zagrożenia środowiskowe podczas lotu: rozwiązania sprawdzone a teoretyczne
| Czynnik środowiskowy | Zmierzone zagrożenie | Rozwiązanie inżynierskie | Status gotowości |
|---|---|---|---|
| Galaktyczne promieniowanie kosmiczne (GCR) | Wysokoenergetyczne jądra żelaza przenikające przez materiał kadłuba i powodujące pęknięcia nici DNA | Osłony z polietylenu bogatego w wodór oraz centralny zbiornik wody jako schrony na czas burz | Pasywne osłony przetestowane na ISS; aktywne magnetyczne odchylanie cząstek wysokoenergetycznych pozostaje niesprawdzone |
| Utrata masy kostnej w mikrograwitacji | Spadek gęstości mineralnej kości o 1,0% do 1,5% miesięcznie w warunkach zerowej grawitacji | Urządzenia do ćwiczeń oporowych (ARED) oraz obrót na linie tworzący sztuczną grawitację | Codzienne 2,5-godzinne ćwiczenia oporowe sprawdzone podczas lotów na ISS; liny nieprzetestowane |
| Marsjańskie nadchloryny | Toksyczne sole chloru w regolicie, niebezpieczne dla tarczycy i tkanki płuc człowieka | Wielokomorowe śluzy powietrzne z zewnętrznymi portami skafandrów (skafandry wchodzone od tyłu) | Prototypy próżniowych portów skafandrów zbudowane; zużycie uszczelnień na regolicie planetarnym wciąż jest testowane |
Wykorzystanie zasobów in situ (ISRU)
Wiarygodna misja na Marsa nie może zabrać paliwa powrotnego z Florydy. Koszt masowy byłby astronomiczny. Dlatego zespoły eksploracyjne muszą uruchomić zautomatyzowane zakłady przetwarzania chemicznego na powierzchni na kilka miesięcy przed przybyciem załogi.
Pobierając dwutlenek węgla z atmosfery Marsa ($95\%$ $CO_2$) oraz wydobywając podpowierzchniowy lód wodny ($H_2O$), autonomiczny reaktor przetwórczy prowadzi katalityczną reakcję Sabatiera:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Elektroliza wody daje tlen ($O_2$) i wodór ($H_2$); wodór zawraca się do produkcji ciekłego metanu, dostarczając paliwa kriogeniczne na drogę powrotną.
Eksperyment MOXIE NASA na łaziku Perseverance wykazał w małej skali elektrokatalityczne pozyskiwanie tlenu z marsjańskiego $CO_2$ w atmosferze (dostarczając do 12 gramów czystego tlenu na godzinę). Przeskalowanie tego procesu do 30 ton metrycznych wymaganych przez statki powrotne pozostaje trwającym wyzwaniem przemysłowym.