Obsah > Aktuality > Články > Problémy pilotovaného letu na Mars

Problémy pilotovaného letu na Mars

Tento článek vznikl jako podklad pro přednášku na KNP 2002.

Obsah:

Co vlastně pilotovaný let na Mars obnáší?

Kresba pilotovaného průzkumu MarsuV podstatě jde o to dopravit člověka ze Země na povrch Marsu, umožnit mu tam alespoň krátkodobě pracovat a nakonec ho i s výsledky práce vrátit zpět k Zemi a na Zemi. To vše samozřejmě co nejlevněji, nejrychleji a nejbezpečněji. Kombinace všech těchto požadavků zatím celý let komplikuje a činí ho mimořádně obtížným.

Nyní se podíváme na celý let podrobněji. Upozorňuji, že při rozboru podmínek letu budu pro jistotu (možná i trochu konzervativně) předpokládat výhradně použití stávajících technologií a přístupů (provozovaných v první polovině roku 2002). Tedy prozatím žádné jaderné, nebo elektrické motory (VASIMR), žádné využití místních zdrojů (vody) na Marsu, ani doprava vybavení předem. K tomu se dostaneme až v závěru.

Nejprve je třeba dosáhnout stavu, kdy dostatečně velká skupina lidí na Zemi bude natolik přesvědčena o nutnosti pilotovaného letu na Mars a současně o technické možnosti let bezpečně uskutečnit, že bude ochotna celý let financovat a podporovat. Musí prostě panovat přesvědčení, že předpokládané výsledky stojí za předpokládanou cenu. Soustředíme se tedy nadále na to, jaké výsledky a jakou cenu můžeme od pilotovaného letu očekávat.

Protože už máme určité zkušenosti s kosmickými lety, můžeme zhruba odhadnout technické podmínky letu a porovnat je s už uskutečněnými projekty. Tak určíme cenu pilotovaného letu na Mars.

Z nebeské mechaniky a našich současných technických možností plyne, že let na Mars i s návratem bude trvat zhruba 2 roky (plus mínus půl roku až rok).

Po celou tuto dobu je třeba udržet člověka živého a zdravého (v práceschopném stavu) zcela bez přímé pomoci ze Země (tedy bez pravidelného doplňování zásob a náhradních dílů). Právě tato dlouhá a dokonalá odloučenost je prvním velkým problémem pilotovaného letu na Mars. Zatím máme zkušenosti jen s maximálně půl roku trvajícími autonomními lety a to ještě s možností kdykoliv při problémech přerušit let a během několika hodin, nebo dní se bezpečně vrátit na Zemi. To při letu na Mars nebude možné a proto požadavky na spolehlivost musí být zcela mimořádné. Jejich splnění bude samozřejmě příslušně drahé.

Při přeletu k Marsu, na Marsu i při cestě zpět se kosmonauti budou nacházet mimo ochrannou magnetosféru a ionosféru Země, takže budou dostávat větší dávky ozáření než na oběžné dráze Země (minimálně 2 x). Ve spojení s dlouhou dobou letu je to další vážný problém, se kterým je třeba se vypořádat.

Schéma přistání na MarsuNyní se podíváme na pohonný systém. Nejprve musíme veškeré vybavení pro let dostat na oběžnou dráhu Země. Předpokládejme, že to je standardní záležitost a toto zrychlení nebudeme započítávat do samotného letu. Z oběžné dráhy Země musíme zrychlit nejméně o 3.5 km/s, abychom se dostali na dráhu směrem k Marsu (TMI). Po zhruba půl roku dlouhém přeletu musíme u Marsu zabrzdit nejméně o 1.5 km/s (MOI), abychom se dostali na nízkou oběžnou dráhu Marsu. Odtud můžeme zahájit vlastní přistání na povrchu Marsu, ale potřebujeme k tomu zpomalit celkem o cca 5 km/s. Při startu z povrchu Marsu na nízkou oběžnou dráhu musíme opět o cca 5 km/s zrychlit. K navedení na dráhu k Zemi (TEI) potřebujeme nejméně 1.5 km/s a nakonec ještě cca 3.5 km/s potřebujeme na zpomalení u Země (EOI) a navedení na nízkou oběžnou dráhu kolem Země (teoreticky je možné i přímé přistání, ale vzhledem k potřebné karanténě, je to pro první lety k Marsu nevhodné). Celkově tedy potřebujeme systém, který má celkovou zásobu rychlosti (zrychlení) kolem 10 km/s pro meziplanetární přelety a 10 km/s pro přístání na povrchu Marsu (a opětný vzlet). To také není jednoduchý úkol, protože zatím byly prakticky použity jen systémy se zásobou rychlosti kolem 5 km/s pro přelet (Apollo, nebo přímé přistání na Marsu - bez návratu) a 3 km/s pro přistání (Apollo).

Pro pohonný systém bude těžké použít kyslíkovodíkové motory s vysokým specifickým impulsem (Isp), protože bychom museli po mnoho měsíců skladovat kryogenní pohonné látky. To bude třeba vyřešit a ověřit, nebo se budeme muset spolehnout na jiné pohonné systémy s menším Isp (na dlouhodobě skladovatelné pohonné látky). Další, ale zatím jen teoretickou, možností jsou jaderné nebo elektrické motory. Ani ty však nejsou bez problémů (např. záření, vysoká hmotnost vlastního motoru, nízký tah, ...)

Už jsme si řekli, že celá cesta na Mars a zpět potrvá zhruba 2 roky. Po celou tuto dobu musí bezchybně pracovat systém zabezpečení životních podmínek (LSS) a pro začátek budeme předpokládat, že na kosmické lodi musí být všechny zásoby hned od začátku, protože jejich průběžné doplňování ze Země není možné. Na jednoho člověka a den je třeba počítat nejméně se třemi kilogramy zásob kyslíku, vody a potravin. To je nejméně tuna zásob na člověka a rok. Pro každého kosmonauta tedy potřebujeme cca 2 tuny zásob na celý let (bez rezervy). K tomu je samozřejmě třeba připočítat hmotnost zařízení, zajišťujících recyklaci vody a vzduchu (odhadem také cca 2 tuny na člověka). Při tříčlenné posádce jen samotný systém LSS bude mít hmotnost 10 až 15 tun. Spolu s celkovou konstrukcí lodi a dalšími systémy se zřejmě nepodaří hmotnost samotné meziplanetární kosmické lodi dostat pod 30 tun (pro tříčlennou posádku) spíše však bude třeba kolem 50 tun (kvůli rezervám a spolehlivostním redundancím). Není také zatím jisté, že po celou dobu letu vydrží zásoby čerstvé, protože například voda na ISS má trvanlivost jen asi jeden rok.

Schéma startu z MarsuAni přistávací modul pro přistání na povrchu Marsu (MEM) nebude nijak jednoduché a lehké zařízení. Pokud předpokládáme, že z povrchu Marsu zpět na oběžnou dráhu Marsu se vrátí modul o hmotnosti alespoň 3 tuny (pro 3 osoby)¨a potřebujeme zásobu rychlosti kolem 10 km/s, pak celková minimální hmotnost modulu bude zřejmě jen těžko nižší, než 25 tun (spíše přes 30 tun).

Pokud si to teď sečteme, tak při optimistickém odhadu (ale klasických technologiích a přístupech) pro start od Země potřebujeme MEM (25 tun), meziplanetární kosmickou loď (30 tun), pohonný systém pro zbrždění u Země (Isp=3000, 60 tun), pohonný systém pro start od Marsu k Zemi (Isp=3000, 60 tun), systém pro zbrždění u Marsu při letu od Země (Isp=3000, 120 tun) a nakonec ještě systém pro start od Země k Marsu (Isp=4500, 300 tun). Celkem tedy při stávajících technologiích potřebujeme rozhýbat cca 600 tun na nízké oběžné dráze Země. To je více, než hmotnost kompletní ISS. Je tedy vidět, že hmotnost celé sestavy a cena její dopravy na nízkou oběžnou dráhu Země je také velkým problémem.

Nakonec nemůžeme zapomenout ani na riziko setkání s cizími organismy. Pokud by na Marsu byl život, tak by jeho setkání s pozemským životem mohlo být fatální a jedna, nebo druhá forma života by mohla zaniknout. Toto nebezpečí nejsme ještě schopni detailně postihnout, ale musíme s ním počítat.

Teď se podíváme na přínosy celé akce. Co vlastně budou kosmonauti na povrchu Marsu dělat? V tuto chvíli si neumím představit nic jiného, než toto:

Výsledkem budou nové vědecké poznatky o Marsu a meziplanetárním prostoru. Bude snad možno odpovědět na otázku, zda na Marsu je, či byl život, ale zřejmě se hned na začátku nepodaří zjistit jak tam vznikl, případně proč tam není. Kromě základního vědeckého výzkumu mohou výsledky činnosti kosmonautů u Marsu a na Marsu přispět k ověření možnosti kolonizace Marsu.

Je třeba konstatovat, že všechny tyto úkoly je možno uskutečnit i pomocí automatů. To je velmi vážná námitka proti riskatní a drahé pilotované misi. Zřejmě se na Mars budeme muset vydat z jiných, než čistě vědeckých důvodů. Těmi jinými důvody může být politika, bezpečnost, propaganda, obchod, nebo třeba jen zábava a dobrodružství.

Čím se tedy pilotovaný let na Mars liší od již uskutečněných výprav? Oproti Apollu potřebujeme více než 2x větší zásobu rychlosti (celkem cca 10 + 10 km/s), celý let trvá mnohonásobně déle (2 roky oproti cca 10 dnům u Apolla) a pomoc při případných problémech je vzdálena minimálně několik měsíců (oproti několika dnům u Apolla). Oproti automatickým sondám s přistáním na povrchu Marsu potřebujeme opět cca 2x větší zásobu rychlosti a hlavně po celou dobu letu musíme spolehlivě udržet při životě a v práceschopném stavu celou posádku. Je zde i riziko setkání s cizími organismy a jejich zavlečení na Zemi.

Jaké problémy jsou největší?

Z výše uvedeného textu tedy můžeme vybrat několik největších (technických) problémů pilotovaného letu na Mars.

Jsou to:

Kromě těchto technických problémů existuje ale i vážný problém filozofický, protože čistě vědecký přínos celé mise není zřejmě dostatečný pro ospravedlnění vysokých nákladů a riskování lidských životů. To ale prozatím pomiňme.

Jak tyto problémy řeší minulé a stávající projekty?

Pilotovaný let na Mars je, podobně jako pilotovaný let na Měsíc, velkým snem mnoha lidí. Není proto divu, že první projekty na vykonání této cesty se objevily už velmí dávno. Projekty se postupem doby měnily, ale až do dnešních dní to byly (a jsou) stále jen ideové návrhy.

Jaké jsou tedy základní scénáře letu a jakým způsobem se projekty vypořádávají z výše naznačenými hlavními problémy?

Podívejme se na několik vybraných projektů.

Projekt Wernhera von Brauna z roku 1956 (redukovaná varianta projektu z roku 1953):

Projekt firmy Boeing z roku 1968 (Integrated Manned Interplanetary Spacecraft Concept Definition):

Výše zmíněný projekt z roku 1968 byl později vícekrát modifikován a vycházeli z něho i K.Pacner a A.Vítek pro svůj návrh letu, popsaný v knize Cesta na Mars 1998 - 1999 (Albatros, 1979):

Projekt Mars Direct z roku 1990 (R.Zubrin a D.Baker):

Projekt Referenční mise z let 1993 - 1998 (verze 3.0):

Celkově se tedy různé přístupy, usnadňující pilotovaný let na Mars, dají shrnout takto:

Jaké další možnosti zjednodušení a zlevnění celé akce máme:

Nejdůležitějším inovačním přístupem, se zdá být maximální využití místních zdrojů na Marsu. Tento přístup relativně nejsnáze a nejvýrazněji přispívá ke zdokonalení mise a měla by se mu tedy brzy věnovat největší pozornost (mělo by se to začít ověřovat přímo na Marsu).

Samozřejmě, že i zdokonalení pohonného systému a jeho případná vyšší zásoba rychlosti, může přispět ke zkrácení doby přeletu mezi planetami a tím potlačit řadu problémů (radiace, LSS, beztíže). Například při použití připravovaného elektrického pohonného systému VASIMR se předpokládá zkrácení doby přeletu na polovinu (na cca 3 měsíce). To je slušné zlepšení. Musíme si však ještě počkat na dořešení konstrukce a praktickou ukázku funkce tohoto systému v kosmu (věřmě, že to bude brzy).

Kresba pilotovaného průzkumu MarsuKupodivu je také možno dokázat, že když překonáme všechny problémy a dostaneme se (pilotovaně) Mars, pak už není o tolik těžší vybudovat na Marsu dlouhodobou (případně i stálou) základnu (posádka by se měnila vždy po několika letech, minimálně po dvou letech). Je to proto, že na Marsu jsou alespoň nějaké využitelné suroviny (především to bude zřejmě voda, půda a atmosféra), zatímco ve volném kosmickém prostoru žádné hmotné suroviny nejsou. Zvládnutí využívání místních zdrojů je přitom klíčové. Udržování stále obydlené základny by ale přesto bylo dost drahé (alespoň v prvním období) a zatím neexistuje přímý a jednoznačný důvod proč se o to snažit už dnes. Pokud se lidé rozhodnou z nějakých důvodů trvale usadit na Marsu (a dál) pak je jisté, že v relativné blízké budoucnosti to bude realizovatelné mnohem snáze než dnes. Doba ke kolonizaci Marsu prostě asi ještě nedozrála.

Osobně preferuji automatické formy průzkumu Marsu (a kosmického výzkumu vůbec), protože to považuji za dostatečné a odpovídající současné technologické úrovni. Například Robert Zubrin v jedné ze svých studií předpokládá, že celkové náklady na automatické dopravení vzorků hornin z povrchu Marsu na Zemi (Mars Sample Return Mission) mohou být jen na úrovni 300 mil. USD (s využitím techniky výroby paliva pro návrat až na místě z atmosféry Marsu, při startu ze Země stačí sonda o hmotnosti cca 550 kg a jako nosič Delta 2).

Naopak jsem všema deseti pro další rozvoj kosmické turistiky a komerce. Logickým pokračováním těchto aktivit jsou i pilotované meziplanetární lety. Věřím, že ve vhodné době se tyto lety uskuteční. Věda sice v tomto případě asi nebude tím hlavním důvodem k akci, ale proč by to mělo vadit?

Jaké jsou tedy předpoklady pro úspěšný pilotovaný let na Mars?

Na závěr se ještě pokusme odhadnout, co je pro pilotovaný let na Mars ještě třeba udělat a kdy se ho snad dočkáme.

Pro minimalizaci rizika, hmotnosti a nákladů a pro maximalizaci přínosů by bylo vhodné ještě před pilotovaným letem na Mars všechny potřebné technologie a postupy ověřit, pokud možno přirozeně při dalším rozvoji kosmonautiky.

Zatím předpokládáme, že potřebný rozpočet bude řádově v desítkách mld. USD. Po rozvoji technologií by ale rozpočet mohl klesnout i pod 1 mld. USD (viz. cíle SLI a ASTP, které chtějí snížit cenu za dopravu na LEO více než 100x proti současnému stavu a to do poloviny 21. století).

Celkově bohužel musíme konstatovat, že pilotovaný let na Mars je zatím velmi obtížný, nebezpečný, drahý a zbytečný (není nutný). Lze však předpokládat, že postupem času se bude stávat stále snazším, bezpečnějším a levnějším. Jsou dnes tedy v zásadě dvě možnosti - buď letět s posádkou na Mars co nejdříve i přes známé obtíže, nebo počkat, až doba umožní letět na Mars snadno a přirozeně. Rychlá realizace může mít dnes jedině politické důvody, a proto bych osobně raději vyčkal na vhodnější dobu.

Vhodná doba k pilotovanému letu na Mars nastane v ideálním případě za těchto podmínek:

K tomuto stavu bychom se podle dnešních představ měli přiblížit zhruba kolem roku 2020. Některé podmínky jsou však rozporuplné a velmi nejisté. Pokud se na Marsu najde už předtím život, musíme důkladně zvážit všechna rizika pro obě strany a rozhodnout se, zda vůbec máme právo tam letět (s rizikem zničení tamního života). Pokud umělá inteligence a robotika výrazně pokročí, nemá smysl riskovat lidské životy a plýtvat prostředky, když je téhož možno dosáhnout levněji a bezpečněji pomocí automatů. Pokud se naopak více rozvine kosmická turistika a kosmická doprava zlevní někam ke 100 USD/kg na LEO, bude snad možno uskutečnit pilotovaný let na Mars i na soukromém a zájmovém základě (prostě tam letět jen tak, kvůli průkopnictví a dobrodružství).

Zatím to však vypadá tak, že pokud se do roku 2020 opravdu uskuteční první pilotovaný let na Mars, tak to bude jen shodou řady příznivých okolností (technologických i politických). Možné to je, pravděpobnost je však dost nízká.

Proto si myslím, že v nejbližší době je výhodné zabývat se i tím, čemu říkám "virtuální pilotovaný let" na Mars. Jde o to, že postupem času budeme mít o Marsu tolik informací, že budeme schopni zrekonstruovat tamní prostředí v počítačích. Pokud se pak k tomuto prostředí umožní vhodný veřejný přístup, pak se kdokoliv bude moci procházet po povrchu Marsu a zkoumat tamní krásy a tajemství (samozřejmě jen virtuálně, ale zato bez skafandru, levně, pohodlně, bezpečně a rovnoprávně [nebude to výsadou hrstky kosmonautů]). Dalším rozšířením této vize je představa, že na povrchu Marsu budeme mít řadu automatických zařízení, která budou schopna reagovat na výsledky tohoto "virtuálního" průzkumu a podle potřeby ho zpřesňovat tím, že se přesunou do vybraných míst a tam provedou detailní pozorovaní podle požadavků ze Země. Zařízení, která budou schopna si vyrábět přímo na Marsu palivo, se pak mohou pohybovat po celé planetě. Podle mne je to téměř stejné, jako kdybychom tam skutečně byli (a v řadě ohledů je to snad i lepší).

Budoucnost je však vždy nejistá a můžeme se jistě dočkat řady překvapení, proto všechny tyto úvahy berme s rezervou a nadhledem.

Aleš Holub

Použité informační zdroje:
Romance to Reality: Moon & Mars plans (David S. F. Portree, 2002)
Case for Mars (workshop, Boulder, Colorado, 1984)
Mars Direct (Robert Zubrin)
Mars Reference Mission (NASA, 1998)
Mars Society
Mars News

Aktualizováno: 24.06.2002

[ Obsah | Články ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.