Optimální scénář pro let k Marsu

Dnešní představy o pilotované expedici k Marsu vypadají asi takhle: velmoci se domluví, a dají dohromady stovky miliard dolarů. Postaví na oběžné dráze mamutí kosmickou loď s jaderným pohonem a umělou gravitací na palubě, a přinejmenším šest lidí (ale spíš víc) se vydá k Marsu, a vrhne se div ne rovnou do jeho terraformace - a rozhodně do rozsáhlého průzkumu a bádání. Pravda, umírněnější a novější projekty přicházejí s alternativními nápady, jako je třeba výroba paliva pro zpáteční cestu na Marsu - ale to je všechno špatně!

Na Mars je podle mě potřeba letět prostě proto, že to je možné, a že by to bylo úžasné dobrodružství - to je všechno! Neočekávejme od expedice převratné vědecké objevy, komfort pětihvězdičkového hotelu, bezpečí turistického zájezdu, a tak dále.

Celá staletí se mořeplavci vydávali v nedokonalých plachetnicích na riskantní zaoceánské plavby - a v některých případech dokonce v rozporu s tehdejšími představami o podobě světa! Často byli rádi, když se jim podařilo vůbec vrátit se živí domů. Očekávali spíše bohatsví a slávu, než nové vědecké objevy - a přitom právě jejich zvídavost a odvaha vedla nakonec ke vzniku moderní vědy! Protože když někam doplujete, a vrátíte se, je váš objev plně ověřitelný - někdo jiný tam může doplout a vrátit se. A to je právě vědecká metoda, která je v zásadě okouzlující ve své jednoduchosti, a často chybně vykládána jako skepticismus, nedůvěra v iracionalitu, apod. Viz různé pochybné spolky, jako Sysifos, apod.

Let na Mars by byl například ideální reklamní akcí pro firmu, nabízející turistické lety na oběžnou dráhu. Přijde vám to jako špatný nápad ? A proč vlastně ? Myslíte, že v miliardové Indii by hladovělo méně lidí, kdyby Indie neměla vlastní kosmický výzkum ? Pak nechápete podstatu ekonomie... svět netrpí nedostatkem, ale nerovnoměrnou distribucí. Vynášení zahraničních satelitů indickými raketami je ve skutečnosti možná nejhumánějším způsobem, jak dosáhnout toho, aby indické rodiny měly podle evropského zvyku dvě děti, a ne podle místního deset... rozhodně je to lepší scénář, než redukce populace ve válce, apod.

Takže po zboření některých mýtů týkajících se výzkumu vesmíru bychom se mohli pustit do plánování. Jak se dostaneme na Mars, pokud nebudeme mít k dispozici stamiliardový rozpočet, jako NASA ? Především musíme přehodnotit naše představy o celé expedici:

1. Nepoletí šest a více lidí, ale jeden nebo dva. Tři by byli zjevně moc. Soutěž více lodí by nebyla od věci, pokud by lodě byly v extrémní situaci schopny pojmout větší posádku, výměnou za snížení komfortu - existovala by tak určitá možnost záchrany posádky v případě havárie.
2. Na palubě bude minimální komfort, podobně jako při prvních zaoceánských plavbách koncem středověku, při slavných polárních výpravách, při výstupu na Mt. Everest, při sólové plavbě kolem světa nebo dejme tomu při plavbě přes Atlantik na kajaku, veslici, windsurfingu a podobných nesmyslech (to všechno lidi dokázali...)
3. Proti radiaci nebude chráněna celá loď, ale pouze prostor, ve kterém posádka stráví většinu času - nejspíš lůžko. Hmotnost lodi se tím podstatně sníží, celková dávka záření bude podobná jako při slabší ochraně celé lodi.
4. Co se týče zdravotního stavu kosmonautů, je zřejmé, že nepůjde o výpravu školou poviných dětí. Budou použity všechny prostředky pro umožnění fungování organismu i psychiky v extrémních podmínkách, včetně různých stimulantů i oblbovadel. Podmínkou bude samozřejmě předchozí přijatelná reakce kosmonautů na tyto látky už na zemi... užívání drog se dá tím pádem chápat jako průprava pro dlouhodobé kosmické lety :-)
5. Nebude použit riskantní a ve skutečnosti nijak jednoduše realizovatelný a převratně efektivní jaderný pohon, ale kombinace solárního elektrického pohonu a sluneční plachty. To sníží celkovou hmotnost lodi možná i o dva řády.
6. Let potrvá velice dlouho - daleko déle, než často zmiňované dva roky. Kosmonauti se budou muset spokojit s primitivní umělou gravitací, a dočasným procvičením svalů na povrchu Marsu.
7. Loď podnikne část cesty bez posádky, bude použita technika připojení malého a rychlého "přívozu" k pomalé sluneční plachetnici, nesoucí naprostou většinu zásob.
8. K navedení na oběžnou dráhu Marsu bude použita technika tzv. aerobraking - aerodynamického brždění v horních vrstvách řídké atmosféry Marsu. Tuto techniku úspěšně odzkoušela sonda Mars Odyssey, a vede k výrazným úsporám paliva.
9. Přistání na Marsu bude zcela minimalistické, s minimálním odběrem vzorků, a bude relativně krátké. Kosmonauti procestují nejblížší okolí - možná pěšky, s použitím nějakého přenosného přístřešku, na který každý večer naházejí vrstvu prachu na ochranu před radiací. Bude to připomínat náročný trek do Himalájí - ne výpravu na chalupu kde je přichystaná tekoucí voda. Kosmounauti doslova "zanechají jen své stopy, a odvezou si pouze dojmy a fotografie" - jako při návštěvě přísně chráněné přírodní rezervace. Digitální technologie umožní odvysílat většinu dat zpět na Zemi, aniž by bylo třeba do návratového modulu brát jako přítěž třeba jen použitý digitální fotoaparát...
10. Pro zpáteční start z oběžné dráhy Marsu bude použito manévrovatelné sluneční plachty - což zpáteční cestu nijak zvlášť neurychlí. Posádka stráví řadu měsíců postupným zvyšováním oběžné dráhy pomocí střídavého naklápění solární plachty vzhledem ke slunečním paprskům při každém oběhu. V tomto případě nepřipadá pozdější rychlé "dohánění" lodi v úvahu, a ani by nemělo význam, protože Mars nemá radiační pásy jako Země.
11. Alternativou je přímý zpáteční start pomocí paliva vyrobeného na povrchu - ovšem dopravit na Mars "továrnu na palivo" by taky nebylo nijak snadné. Navíc by během přistání v případě problémů neexistovala možnost přerušení sestupu a návratu zpět na oběžnou dráhy - a to asi ani kdyby návratový modul už čekal na povrchu, s automaticky vyrobeným palivem, jak předpokládají některé dnešní plány.
12. Loď nebude při návratu zpět na Zemi výrazně brzdit, ale proletí kolem - zabržděn bude pouze malý návratový modul pro kosmonauty, podobně jako např. při výpravách v rámci projektu Apollo. Toho by šlo využít i pro avantgardní brzdící manévr s využitím dlouhého spojovacího lana, při kterém by odhazovaná sluneční plachetnice vlastně ještě více zrychlila, a návratový modul by naopak zpomalil. Opět jde o metodu změny dráhy letu bez použití paliva - a mohlo by jít o stejné lano, které by bylo během letu použito například pro generování slabé umělé gravitace pomocí rotace (pravděpodobně by ale výrazná změna dráhy touto metodou byla nesmírně technologicky náročná...)

Tohle je jenom velice hrubý scénář. Je ale možné jednoduše dopočítat značné množsví detailů s využitím běžně dostupných informací o dnešní podobě kosmických letů. Na ISS potřebují tři kosmonauti zhruba tunu zásob (jídlo, vzduch) na tři měsíce. Při extrémní recyklaci vody a vzduchu je třeba počítat zhruba s 1 kg potravin a jiných zásob na dvě osby a den. Dvě osoby potřebují na 1000 dní letu v krajním případě asi tunu potravin. Recyklace vzduchu a vody nemůže být nikdy úplná a ne všechny potraviny mohou být dehydrované - počítejme proto s dalšími pěti tunami zásob vody, vzduchu, jiných než dehydrovaných potravin, apod. Máme tedy dva členy posádky, kteří i se zásobami váží dejme tomu 6 tun. Kam je nacpeme ?

Jako optimální se jeví rozdělení marsovské solární plachetnice na dva moduly. První bude modifikovaná klasická malá kosmická loď - například ruský Sojuz, který by se asi dal sehnat řádově za mizerných 100 milionů dolarů (co to dnes je... Bill Gates by si jich mohl koupit flotilu :-) a dost možná by se to dalo sehnat podstatně laciněji...). Samozřejmě je možné, že čínská Shenzou bude ještě levnější - Číňané jsou podnikavý národ s obchodnickým duchem (pokud teda zrovna neválcují studenty pod pásy tanků). Druhý modul musí obsahovat rozšířený obytný prostor (existují plány na nafukovací kosmické konstrukce, stínění proti radiaci (velký problém, jak co se týče objemu, tak hmotnosti), konstrukci solární plachty (obrovský problém - rozměry plachty budou muset být v řádech hektarů, soudím!), přistávací modul (ve skutečnosti nemusí být zvlášť masivnější, než to, s čím přístáli Američané na Měsíci - na Marsu totiž lze, na rozdíl od Měsíce, použít atmosférické brždění a padáky). Tato část expedice bude náročná, a bude rozhodně nutné použít nejvyspělejší dnešní materiály a technologie.

Rusové v 60.letech modifikovali Sojuz pro pilotovaný oblet Měsíce - pro tyto účely ho vynášela raketa Proton - a podařilo se jim tento let přinejmenším jednou úspěšně podnikout, i když si tehdy netroufli do lodi posadit posádku. Zdá se, že poměr cena/výkon by rozhodně nasvědčoval pro použití této existující technologie - a podle dobře informovaných zdrojů Rusové s tímto scénářem a technologií letu k Marsu počítají už od 60.let. Dnešní verze rakety Proton mají o něco větší nosnost, takže modifikace lodi by nemusela být až tak velká, a navíc nejde o oblet Měsíce, ale pouze o let zhruba do oblasti Lagrangeova libračního bodu - prostě rychlý přímý průlet radiačních pásů Země během zhruba tří dnů, bez navedení na parkovací dráhu kolem Země, apod.

Otázkou je, jak dostat alespoň na nízkou oběžnou dráhu naši solární plachetnici - složenou, a zatím bez posádky. Záleží na tom, kolik bude vážit - pokud zhruba do 22 tun, bylo by možné použít opět ruský Proton, a celkem slušně minimalizovat náklady. Problémem je ale i v tom, že potřebujeme startovat nejvýše z roviny ekliptiky - ruské kosmodromy jsou umístěné příliš severně. Dráha ISS má příliš velký sklon, a pro start k Marsu se vůbec nehodí (alespoň podle diskuzí na toto téma, které jsem četl - kupodivu, laická veřejnost se zájmem o tuto problematiku jaksi automaticky očekává, že ISS bude při montáži marsovského planetoletu využita...)

Počáteční zvyšování oběžné dráhy solární plachetnice, zatím bez posádky, může dle účinosti plachty trvat třeba i několik let. Ale to je zároveň i hlavní výhoda tohoto scénáře letu: bez posádky nám neubývají žádné zásoby, veškerou vyrobenou elektřinu ze solárních panelů můžeme využívat pro pohon iontových motorů a ne pro recyklaci vody a vzduchu, apod. Pokud se nepletu, můžeme se z Lagrangeova libračního bodu vydat pomocí malého impulsu kamkoliv - v tomto bodě se nacházíme na oběžné dráze kolem Slunce, nikoliv Země nebo Měsíce, a jakékoliv manévry jsou vlastně jen drobnými úpravami tvaru naší dráhy kolem Slunce.

Vzdálenost 56 miliónů kilometrů k Marsu poletíme takovou rychlostí, jakou nám dovolí plachta, iontový motor a možná nějaký počáteční impuls chemickým raketovým motorem - třeba pomocí opakovaného zážehu posledního stupně nosné rakety. Protože v Lagrangeove libračním bodě začneme vlastně s nulovou rychlostí vzhledem k Zemi (oběžná rychlost na dráze kolem Slunce se jaksi nepočítá), nebude to žádná legrace... do příslušných výpočtů se mi nechce, protože na to nemám energii, a vyhledat potřebné údaje o dráze Země i Marsu by zabralo spoustu času - ale v případě, že TečkuCZ čte alespoň jeden blázen s podobnými meziplanetárními fantaziemi, jako mám občas já, tak bych si ten čas klidně našel... ať žije návrat do dětství ;-)

Pro aerobraking při příletu k Marsu využijeme brzdící štít přístávacího modulu. Zdá se tedy výhodné, aby byl řazen na konci kosmické plachetnice, a aby plachtu bylo možné složit tak, aby se za něj celá schovala. To je konstrukčně nesmírně náročné, a jediným rozumný řešením by bylo použít co nejpevnější materiál, a co nejjednoduší inženýrské postupy (nejlépe ruční ovládání z vnitřku lodi, a použití součástek, které lze jednoduše vyměnit při výstupu do volného kosmu). Musí existovat možnost "zašití plachty", nebo letu bez některých segmentů plachty.

Brzdící štít může také fungovat jako součást antiradiační ochrany. V zásadě potřebujeme úzký tunel skrz celou loď, na jehož jednom konci je marsovský přistávací modul, na druhém pozemský. V segmentech tunelu se zesílenou ochranou bude posádka nocovat. Veškeré zásoby, nádrže na pohoné hmoty, apod. musí být rozmístěny kolem tohoto tunelu. Celkové klaustrofobické vyznění by mohl zmírnit snad jen přídavný externí nafukovací modul - ve kterém by ovšem kvůli kosmickému záření mohli kosmonauti trávit pouze malou část dne.

Jak už jsem uvedl na začátku, podobná výprava by byla nebezpečná a nepohodlná, bylo by to úžasné dobrodružství na hranici šílenství a lidských možností. Ale není pravda, že je to nemožné, a že by to stálo stovky miliard dolarů - dalo by se to podniknout řádově levněji, za peníze, které dnes proudí do daleko nudnějších a nezábavnějších odvětví lidské činosti. Já bych do toho šel!

Volnou inspirací pro tuto divokou úvahu byl článek Cruising About In The 22nd Century [spacedaily.com]

A proč letět co nejdříve ? Mars se v roce 2003 přiblíží k Zemi nejvíce za posledních 73 000 let [space.com], [slashdot.org]