Είναι κρίμα που ο Άρης είναι ένα τόσο ενδιαφέρον μέρος, γιατί είναι στην πραγματικότητα ένα από τα πιο δύσκολα μέρη για επίσκεψη στο Ηλιακό Σύστημα, ειδικά αν θέλεις να φέρεις μαζί σου πολλές αποσκευές. Αυτός ο πλανήτης είναι ένα νεκροταφείο αποστολών που δεν τα κατάφεραν.
Καθώς οι φιλοδοξίες μας μεγαλώνουν και σκεφτόμαστε να εξερευνήσουμε τον Άρη με ανθρώπους –ίσως και μελλοντικούς αποίκους– θα χρειαστεί να λύσουμε ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Η επιτυχής προσγείωση βαρέων φορτίων στην επιφάνεια του Άρη είναι πραγματικά πολύ δύσκολη.
Υπάρχουν πολλές προκλήσεις με τον Άρη, συμπεριλαμβανομένης της έλλειψης προστατευτικής μαγνητόσφαιρας και της χαμηλότερης επιφανειακής βαρύτητας. Αλλά ένα από τα μεγαλύτερα είναι η λεπτή του ατμόσφαιρα από διοξείδιο του άνθρακα.
Αν στέκεστε στην επιφάνεια του Άρη χωρίς διαστημική στολή, θα παγώνατε μέχρι θανάτου και θα πνιγούσατε από έλλειψη οξυγόνου. Αλλά θα βιώνετε επίσης λιγότερο από το 1% της ατμοσφαιρικής πίεσης που απολαμβάνετε εδώ στη Γη.
Και αποδεικνύεται ότι αυτή η λεπτή ατμόσφαιρα καθιστά απίστευτα δύσκολο να κατεβάσετε σημαντικά ωφέλιμα φορτία με ασφάλεια στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη. Στην πραγματικότητα, μόνο το 53% των αποστολών στον Άρη έχουν πραγματικά λειτουργήσει σωστά.
Ας μιλήσουμε λοιπόν για το πώς λειτουργούσαν οι αποστολές στον Άρη στο παρελθόν και θα σας δείξω ποιο είναι το πρόβλημα.
Η προσγείωση στον Άρη είναι το χειρότερο
Ιστορικά, οι αποστολές στον Άρη εκτοξεύονται από τη Γη κατά τη διάρκεια των παραθύρων πτήσης που ανοίγουν κάθε δύο περίπου χρόνια όταν η Γη και ο Άρης είναι πιο κοντά. Το ExoMars πέταξε το 2016, το InSight το 2018 και το ρόβερ Mars 2020 θα πετάξει, λοιπόν, το 2020.
Η εντύπωση του καλλιτέχνη για το InSight Lander που ξεκινά τη φάση εισόδου, καθόδου και προσγείωσης (EDL) στον Άρη. Πίστωση: NASA
Οι αποστολές ακολουθούν διαπλανητική τροχιά μεταφοράς που έχει σχεδιαστεί είτε για να φτάσει εκεί όσο πιο γρήγορα ή με τη λιγότερη ποσότητα καυσίμου.
Καθώς το διαστημόπλοιο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα του Άρη, κάνει δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα την ώρα. Πρέπει με κάποιο τρόπο να χάσει όλη αυτή την ταχύτητα πριν προσγειωθεί απαλά στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη.
Εδώ στη Γη, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πυκνή γήινη ατμόσφαιρα για να επιβραδύνετε την κάθοδό σας, εξαλείφοντας την ταχύτητά σας με μια θερμική ασπίδα. Τα πλακάκια του διαστημικού λεωφορείου σχεδιάστηκαν για να απορροφούν τη θερμότητα της επανεισόδου, καθώς ο τροχιακός των 77 τόνων πήγε από τα 28.000 km/h στο μηδέν.
Μια παρόμοια τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην Αφροδίτη ή τον Τιτάνα, όπου έχουν πυκνή ατμόσφαιρα.
Η Σελήνη, χωρίς καθόλου ατμόσφαιρα, είναι σχετικά εύκολο να προσγειωθεί επίσης. Χωρίς καθόλου ατμόσφαιρα, δεν υπάρχει ανάγκη για θερμική ασπίδα, απλά χρησιμοποιείτε την πρόωση για να επιβραδύνετε την τροχιά σας και να προσγειωθείτε στην επιφάνεια. Εφόσον φέρετε αρκετό προωθητικό, μπορείτε να κολλήσετε την προσγείωση.
Επιστροφή στον Άρη, με ένα διαστημόπλοιο να εκτοξεύεται στη λεπτή ατμόσφαιρά του με περισσότερα από 20.000 χιλιόμετρα την ώρα.
Η περιέργεια είναι το όριο
Παραδοσιακά, οι αποστολές ξεκίνησαν την κάθοδό τους με ένα αεροσκάφος για να αφαιρέσουν μέρος της ταχύτητας του διαστημικού σκάφους. ο η πιο βαριά αποστολή που στάλθηκε ποτέ στον Άρη ήταν το Curiosity, το οποίο ζύγιζε 1 μετρικό τόνο, ή 2.200 λίβρες.
Όταν μπήκε στην ατμόσφαιρα του Άρη, πήγαινε 5,9 χιλιόμετρα ένα δευτερόλεπτο, ή 22.000 χιλιόμετρα την ώρα.
Η περιέργεια περνάει στην ατμόσφαιρα του Άρη. Πίστωση: NASA/JPL
Το Curiosity είχε το μεγαλύτερο αεροσκάφος που στάλθηκε ποτέ στον Άρη, με διάμετρο 4,5 μέτρα. Αυτό το τεράστιο αεροσκάφος έγερνε υπό γωνία, επιτρέποντας στο διαστημικό σκάφος να κάνει ελιγμούς καθώς προσκρούει στην λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη, στοχεύοντας σε μια συγκεκριμένη ζώνη προσγείωσης.
Σε υψόμετρο περίπου 131 χιλιομέτρων, το διαστημόπλοιο θα άρχιζε να εκτοξεύει προωθητές για να προσαρμόσει τέλεια την τροχιά καθώς πλησίαζε την επιφάνεια του Άρη.
Περίπου 80 δευτερόλεπτα πτήσης μέσα από την ατμόσφαιρα, οι θερμοκρασίες στη θερμική ασπίδα αυξήθηκαν στους 2.100 βαθμούς Κελσίου. Για να μην λιώσει, η θερμική ασπίδα χρησιμοποίησε ένα ειδικό υλικό που ονομάζεται Phenolic Impregnated Carbon Abator, ή PICA. Παρεμπιπτόντως, το ίδιο υλικό χρησιμοποιεί η SpaceX για τις Dragon Capsules της.
Μόλις επιβράδυνε την ταχύτητά του σε χαμηλότερη από 2,2 Mach, το διαστημόπλοιο ανέπτυξε το μεγαλύτερο αλεξίπτωτο που κατασκευάστηκε ποτέ για μια αποστολή στον Άρη – πλάτους 16 μέτρων. Αυτό το αλεξίπτωτο θα μπορούσε να δημιουργήσει 29.000 κιλά δύναμης έλξης, επιβραδύνοντάς το ακόμη περισσότερο.
Οι γραμμές ανάρτησης κατασκευάστηκαν από Technora και Kevlar, τα οποία είναι λίγο πολύ τα ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά που γνωρίζουμε.
Στη συνέχεια, πέταξε το αλεξίπτωτό του και χρησιμοποίησε μηχανές πυραύλων για να επιβραδύνει ακόμη περισσότερο την κάθοδό του. Όταν ήταν αρκετά κοντά, το Curiosity ανέπτυξε έναν ουρανοξύστη που κατέβασε το ρόβερ απαλά στην επιφάνεια.
Αυτή είναι η γρήγορη έκδοση. Εάν θέλετε μια εκτενή επισκόπηση του τι πέρασε το Curiosity κατά την προσγείωση στον Άρη, σας συνιστώ ανεπιφύλακτα να δείτε το ' της Emily Lakdawalla ' Ο Σχεδιασμός και η Μηχανική του Curiosity '.
Απεικόνιση του ουρανοξύστη του Curiosity, τοποθετώντας τον απαλά στον Άρη. Πίστωση: NASA/JPL
Το Curiosity ζύγιζε μόνο έναν τόνο.
Το να πας πιο βαρύ δεν κλιμακώνεται
Θέλετε να κάνετε το ίδιο πράγμα με βαρύτερα ωφέλιμα φορτία; Είμαι βέβαιος ότι φαντάζεστε μεγαλύτερα αεροσκάφη, μεγαλύτερα αλεξίπτωτα, μεγαλύτερους ουρανοξύστες.
Θεωρητικά, το SpaceX Starship θα στείλει 100 τόνους αποίκων και τα πράγματά τους στην επιφάνεια του Άρη.
Εικονογράφηση καλλιτέχνη του Starship SpaceX. Πίστωση: SpaceX
Εδώ είναι το πρόβλημα. Οι μέθοδοι επιβράδυνσης στην ατμόσφαιρα του Άρη δεν κλιμακώνονται πολύ καλά.
Αρχικά, ας ξεκινήσουμε με τα αλεξίπτωτα. Για να είμαι ειλικρινής, με βάρος 1 τόνου, το Curiosity είναι τόσο βαρύ όσο μπορείτε να πάρετε χρησιμοποιώντας ένα αλεξίπτωτο. Οτιδήποτε βαρύτερο και απλά δεν υπάρχουν υλικά που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι μηχανικοί που να μπορούν να χειριστούν το φορτίο επιβράδυνσης.
Πριν από μερικούς μήνες, οι μηχανικοί της NASA γιόρτασαν την επιτυχημένη δοκιμή του Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment ή ASPIRE. Αυτό είναι το αλεξίπτωτο που θα χρησιμοποιηθεί για την αποστολή ρόβερ Mars 2020.
Το ωφέλιμο φορτίο ASPIRE διαχωρίζεται από τον ενισχυτή του. Πίστωση: NASA/JPL/Caltech
Τοποθέτησαν το αλεξίπτωτο από προηγμένα σύνθετα υφάσματα, όπως νάιλον, Technora και Kevlar, σε έναν πύραυλο και το εκτόξευσαν σε υψόμετρο 37 χιλιομέτρων, μιμούμενοι τις συνθήκες που θα βιώσει το διαστημόπλοιο καθώς φτάνει στον Άρη.
Το αλεξίπτωτο που αναπτύχθηκε σε κλάσματα του δευτερολέπτου, και πλήρως φουσκωμένο, γνώρισε δύναμη 32.000 κιλών. Αν ήσασταν επί του σκάφους εκείνη τη στιγμή, θα είχατε 3,6 φορές περισσότερη δύναμη από τη σύγκρουση σε τοίχο με ταχύτητα 100 km/h φορώντας τη ζώνη ασφαλείας σας. Με άλλα λόγια, δεν θα επιζούσατε.
Εάν το διαστημόπλοιο ήταν πιο βαρύ, θα έπρεπε να είναι κατασκευασμένο από αδύνατα σύνθετα υφάσματα. Και ξεχάστε τους επιβάτες.
Η NASA δοκιμάζει διαφορετικές ιδέες για να προσγειώσει βαρύτερα ωφέλιμα φορτία στον Άρη, όπως, έως και 3 τόνους.
Εικονογράφηση καλλιτέχνη του υπερηχητικού επιβραδυντή χαμηλής πυκνότητας. Πίστωση: NASA
Μια ιδέα ονομάζεται Supersonic Decelerator χαμηλής πυκνότητας ή LDSD. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί ένας πολύ μεγαλύτερος αεροδυναμικός επιβραδυντής που θα φουσκώνει γύρω από το διαστημόπλοιο σαν ένα φουσκωτό κάστρο καθώς εισέρχεται στη βαρύτητα του Άρη.
Το 2015, η NASA πραγματοποίησε δοκιμή αυτής της τεχνολογίας, μεταφέροντας ένα πρωτότυπο όχημα σε ένα μπαλόνι σε υψόμετρο 36 χιλιομέτρων. Στη συνέχεια το όχημα εκτόξευσε τον συμπαγή πύραυλο του, μεταφέροντάς τον σε ύψος 55 χιλιομέτρων.
Οπως ήταν πύραυλος προς τα πάνω , φούσκωσε τον Υπερηχητικό Φουσκωτό Αεροδυναμικό Επιβραδυντή του σε διάμετρο 6 μέτρων (ή 20 πόδια), που στη συνέχεια τον επιβράδυνε και πάλι στα 2,4 Mach. Δυστυχώς το αλεξίπτωτό του απέτυχε να αναπτυχθεί σωστά, έτσι συνετρίβη στον Ειρηνικό Ωκεανό.
Αυτό είναι πρόοδος. Εάν μπορούν πραγματικά να καταλάβουν τη μηχανική και τη φυσική, θα μπορούσαμε κάποια μέρα να δούμε διαστημόπλοιο 3 τόνων να προσγειώνεται στην επιφάνεια του Άρη. Τρεις ολόκληροι τόνοι.
Περισσότερη πρόωση, λιγότερο φορτίο
Η επόμενη ιδέα για την κλιμάκωση μιας προσγείωσης στον Άρη είναι η χρήση περισσότερης πρόωσης. Θεωρητικά, μπορείτε απλώς να μεταφέρετε περισσότερο καύσιμο, να εκτοξεύετε τους πυραύλους σας όταν φτάσετε στον Άρη και να ακυρώσετε όλη αυτή την ταχύτητα. Το πρόβλημα, φυσικά, είναι ότι όσο περισσότερη μάζα πρέπει να μεταφέρεις για να επιβραδύνεις, τόσο λιγότερη μάζα μπορείς να προσγειωθείς στην επιφάνεια του Άρη.
Απεικόνιση του διαστημόπλοιου SpaceX που προσγειώνεται στον Άρη. Πίστωση: SpaceX
Το SpaceX Starship αναμένεται να χρησιμοποιήσει μια προωθητική προσγείωση για να φτάσει 100 τόνους στην επιφάνεια του Άρη. Επειδή ακολουθεί μια πιο άμεση, πιο γρήγορη διαδρομή, το Starship θα χτυπήσει την ατμόσφαιρα του Άρη πιο γρήγορα από 8,5 km/s και στη συνέχεια θα χρησιμοποιήσει αεροδυναμικές δυνάμεις για να επιβραδύνει την είσοδό του.
Δεν χρειάζεται να πάει τόσο γρήγορα, φυσικά. Το Starship θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αεροπέδηση, περνώντας από την ανώτερη ατμόσφαιρα αρκετές φορές για να εξαλείψει την ταχύτητα. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι η μέθοδος αυτό το τροχιακό διαστημόπλοιο που πηγαίνει στον Άρη χρησιμοποιεί.
Αλλά τότε οι επιβάτες του θα πρέπει να περάσουν εβδομάδες για να επιβραδύνει το διαστημόπλοιο και να μπει σε τροχιά γύρω από τον Άρη και στη συνέχεια να κατέβει στην ατμόσφαιρα.
Σύμφωνα με τον Έλον Μασκ, η απολαυστικά αδιόρατη στρατηγική του για τον χειρισμό όλης αυτής της θερμότητας είναι να κατασκευάσει το διαστημόπλοιο από ανοξείδωτο χάλυβα και στη συνέχεια από μικροσκοπικές τρύπες στο κέλυφος θα εξατμιστεί το καύσιμο μεθανίου για να διατηρήσει την πρόσθια πλευρά του διαστημικού σκάφους δροσερή.
Δοκιμή εξαγωνικών πλακιδίων θερμικής ασπίδας Starship pic.twitter.com/PycE9VthxQ
— Έλον Μασκ (@elonmusk) 17 Μαρτίου 2019
Μόλις ρίξει αρκετή ταχύτητα, θα γυρίσει, θα πυροδοτήσει τις μηχανές του Raptor και θα προσγειωθεί απαλά στην επιφάνεια του Άρη.
Στοχεύστε στο έδαφος, τραβήξτε ψηλά την τελευταία στιγμή
Κάθε κιλό καυσίμου που χρησιμοποιεί το διαστημικό σκάφος για να επιβραδύνει την κάθοδό του στην επιφάνεια του Άρη είναι ένα κιλό φορτίου που δεν μπορεί να μεταφέρει στην επιφάνεια.
Δεν είμαι σίγουρος ότι υπάρχει κάποια βιώσιμη στρατηγική που θα προσγειώνει εύκολα βαριά φορτία στην επιφάνεια του Άρη. Πιο έξυπνοι από εμένα πιστεύουν ότι είναι σχεδόν αδύνατο χωρίς τη χρήση τεράστιων ποσοτήτων προωθητικού.
Τούτου λεχθέντος, ο Elon Musk πιστεύει ότι υπάρχει τρόπος. Και προτού απορρίψουμε τις ιδέες του, ας δούμε τους διπλούς πλευρικούς ενισχυτές από τον πύραυλο Falcon Heavy να προσγειώνονται τέλεια μαζί.
Και μην δίνετε σημασία σε αυτό που συνέβη με τον κεντρικό ενισχυτή.
Μια νέα μελέτη από το Τμήμα Αεροδιαστημικής του Πανεπιστημίου του Ιλινόις στο Urbana-Champaign προτείνει ότι οι αποστολές στον Άρη θα μπορούσαν να επωφεληθούν από την παχύτερη ατμόσφαιρα που βρίσκεται πιο κοντά στην επιφάνεια του Άρη.
Στην εργασία τους με τίτλο «Επιλογές τροχιάς εισόδου για οχήματα υψηλού βαλλιστικού συντελεστή στον Άρη», οι προτείνουν οι ερευνητές ότι τα διαστημόπλοια που πετούν στον Άρη δεν χρειάζεται να βιάζονται τόσο πολύ για να απαλλαγούν από την ταχύτητά τους.
Καθώς το διαστημικό σκάφος ουρλιάζει στην ατμόσφαιρα, θα εξακολουθεί να είναι σε θέση να παράγει πολλή αεροδυναμική ανύψωση, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να το κατευθύνει στην ατμόσφαιρα.
Έκαναν τους υπολογισμούς και βρήκαν ότι η ιδανική γωνία ήταν να δείξουν το διαστημόπλοιο ευθεία προς τα κάτω και να βουτήξουν προς την επιφάνεια. Στη συνέχεια, την τελευταία δυνατή στιγμή, τραβήξτε προς τα πάνω χρησιμοποιώντας τον αεροδυναμικό ανελκυστήρα για να πετάξετε πλάγια στο πιο παχύ μέρος της ατμόσφαιρας.
Αυτό αυξάνει την οπισθέλκουσα και σας επιτρέπει να απαλλαγείτε από τη μεγαλύτερη ποσότητα ταχύτητας προτού ενεργοποιήσετε τους κινητήρες καθόδου και ολοκληρώσετε την προσγείωση με κινητήρα.
Αυτό ακούγεται, χμ, διασκεδαστικό.
Εάν η ανθρωπότητα πρόκειται να οικοδομήσει ένα βιώσιμο μέλλον στην επιφάνεια του Άρη, θα χρειαστεί να λύσουμε αυτό το πρόβλημα. Θα χρειαστεί να αναπτύξουμε μια σειρά τεχνολογιών και τεχνικών που θα κάνουν την προσγείωση στον Άρη πιο αξιόπιστη και ασφαλή.
Υποψιάζομαι ότι θα είναι πολύ πιο δύσκολο από ό,τι περιμένει ο κόσμος, αλλά ανυπομονώ για τις ιδέες που θα δοκιμαστούν τα επόμενα χρόνια.
Ένα μεγάλο ευχαριστώ στη Nancy Atkinson που κάλυψε αυτό το θέμα εδώ στο Universe Today πριν από περισσότερο από μια δεκαετία και με ενέπνευσε να δουλέψω σε αυτό το βίντεο.