Niebezpieczna podróż. Ile potrwa lot na Marsa i co nas czeka?

Santa Maria, statek, który zawiózł Krzysztofa Kolumba do Nowego Świata, miał około 20 metrów długości. Starship, pojazd opracowywany przez SpaceX, a którego wykorzystanie do podróży na Marsa bierze pod uwagę NASA, ma 50 metrów długości. I to tylko jego górny człon, który trafi w przestrzeń kosmiczną.

W 1492 roku na Santa Marii znalazło się 45 osób i zapasy na, jak się potem okazało, około dwumiesięczną podróż do wybrzeży wyspy San Salvador (Bahamy), a potem przyszłej Kuby i Hispanioli. Tam załoga mogła uzupełnić żywność, wodę, a także nawiązała kontakt z tubylcami. Na Marsa na początku poleci co najwyżej kilka osób, za to w przeciwieństwie do załogi Kolumba, nie trzeba będzie ich do tego namawiać.

Kolumb miał określony cel, lecz nie był świadomy, jak długo będzie dryfować po oceanie bez lądu w zasięgu wzroku wraz ze swoją załogą. Ponad 500 lat później, podróż na Marsa stanowi większe wyzwanie, mimo że dokładnie wiemy, dokąd zmierzamy. Żeglarze zmagali się z nieprzyjazną pogodą i głodem, jednak nie byli nieustannie zamknięci. Towarzyszyło im niebo. Byli świadomi, że kierują się w stronę świata, w którym istnieje życie.

Kraina przypominająca miejsca w które trafił Kolumb w trakcie ostatniej czwartej wyprawy. Mars w miejscu, które przed miliardami lat mogło być jeziorem. (fot: NASA/zdjęcie Marsa)

Podróżujący na Marsa będą stale wewnątrz pojazdu kosmicznego. Nie będzie im dane odetchnąć tlenem atmosferycznym. Życie organiczne na Marsie owszem mogło być, ale dziś ze świecą go szukać. Błękit Ziemi w iluminatorze zastąpi czerwień Marsa, ale na to będzie trzeba poczekać znacznie dłużej niż załoga Kolumba na widok lądu.

Dlaczego czas jest tak ważnym czynnikiem podczas lotu na Marsa?

Na Ziemi ludzie noszą ubrania dostosowane do zewnętrznej temperatury. Chociaż na Marsie letnie południe może być ciepłe, większość czasu panują tam temperatury znacznie poniżej zera oraz brak tlenu w atmosferze. W przestrzeni kosmicznej jest jeszcze zimniej, ale to jest najmniejszy z problemów. Podczas podróży może dojść do awarii czegokolwiek - systemu napędowego, systemu podtrzymywania życia, nie wspominając już o psychice ludzkiej. Elementy, które na Ziemi funkcjonują automatycznie, w kosmosie muszą być kontrolowane sztucznie.

Symulacja dobowych zmian oświetlenia (natężenia i koloru) jest kluczowa dla poprawnego funkcjonowania psychiki astronautów. Na zdjęciu Andreas Morgenstern podczas swojej misji na ISS. (fot: ESA)

Nie ma możliwości skoku do sklepu. Wszystko musi być zabrane ze sobą, w tym paliwo. Santa Maria polegała na wietrze i prądach oceanicznych, a napędem statku kosmicznego będzie grawitacja, jednak paliwo jest niezbędne zarówno do rozpędzenia, jak i wyhamowania przy celu, nie mówiąc już o zapasie na powrót, chyba że uda się wyprodukować odpowiedni zapas na Marsie, co jest rozsądną opcją.

Ilość zasobów, które należy zabrać, zależy od czasu podróży. Czas ten zależy od liczby osób w załodze i wielkości statku kosmicznego wyruszającego na Czerwoną Planetę. Wydaje się, że NASA coraz bardziej skłania się do przekonania, iż podróż nie może odbyć się małą kapsułą. To, co wystarcza na kilkunastodniową wyprawę na Księżyc, nie sprawdzi się w przypadku Marsa.

Moc potrzebna do rozpędzenia statku zależy od jego masy, a masa wpływa na komfort podróży. Można postawić na większą prędkość, zabierając więcej paliwa i ograniczając tym samym inne ładunki, lub skoncentrować się na zapewnieniu załodze odpowiednich zasobów. Każde takie działanie ma swoje konsekwencje: więcej paliwa oznacza większą masę do wprawienia w ruch.

Orientacyjne porównanie rozmiaru Starshipa (górny człon) i statku Krzysztofa Kolumba (replika naturalnych rozmiarów). (fot: SpaceX)

Roczny pobyt na ISS to nic w porównaniu z podróżą przez mroczny kosmos. Towarzyszyć jej będzie większy stres, a brak grawitacji i promieniowanie będą jeszcze bardziej dokuczliwe. Grawitację można wytworzyć budując obrotowy pierścień, a przed większością promieniowania ochroniłaby gruba powłoka. Jednak przed silnymi rozbłyskami słonecznymi skutecznie chroni tylko planetarna magnetosfera lub gruba warstwa gruntu. Dlatego ważne jest, by czas spędzony w przestrzeni kosmicznej był jak najkrótszy.

Jaką trasę należy obrać kierując się na Marsa?

Karaiby, domniemane przez Kolumba Indie Zachodnie, nie zmieniły swojego położenia względem Hiszpanii od milionów lat. Tymczasem Mars jak i Ziemia są w ciągłym ruchu. Nie przedostaniemy się na Marsa natychmiast, zrobimy to z ograniczoną prędkością, dlatego trzeba wybrać się nie tam gdzie Mars jest, ale tam gdzie będzie, gdy do niego dotrzemy.

Minimalna odległość Ziemia-Mars zmienia się od 56 do 101 milionów kilometrów. I to stanowi problem, bo nawet wybierając optymalny moment na start, który następuje gdy Ziemia i Mars są po tej samej stronie Słońca, nie zawsze będziemy pokonywać ten sam dystans. Lecąc na Marsa pojazd pokona fragment elipsy (zbliżonej do okręgu), a będzie on tym krótszy im większą prędkość zdołamy uzyskać. Droga powrotna to lustrzane odbicie lotu na Marsa, po prostu „spadamy” do wnętrza Układu Słonecznego na Ziemię. Łazik Perseverance startujący w połowie 2020 roku trafił na wyjątkowo korzystne ustawienie Ziemi i Marsa, a i tak musiał pokonać aż 480 milionów kilometrów. To więcej niż największa odległość obu planet w linii prostej.

Ile czasu będziemy lecieć i czy mamy jakieś opcje do wyboru?

Dopóki nie nauczymy się rozwijać wysokich prędkości wewnątrz Układu Słonecznego, tak by dowolna konfiguracja Ziemi i Marsa umożliwiała lot, jesteśmy skazani na tak zwane okna startowe, czyli korzystne ustawienie tych planet. Następuje ono co 26 miesięcy. W przypadku łazika Perseverance lot trwał około 6 miesięcy. Jednakże nie jest to regułą. W 1966 roku sonda Mariner 6 dotarła na Marsa w nieco ponad 5 miesięcy, jednakże wykonała tylko przelot, bo nie miała zapasu paliwa na hamowanie i wejście na orbitę. Lądowniki Viking 1 i 2 (1975 rok) dotarły na Czerwoną Planetę po 10 i 11 miesiącach.

NASA przewiduje, że załogowa misja na Marsa potrwa około 9 miesięcy w jedną stronę, a astronauci spędzą na Marsie 3 miesiące. Długość pobytu jest uzależniona od tego, że około 12 miesięcy po starcie z Ziemi, na Marsie otworzy się korzystne okno transferowe umożliwiające powrót na Ziemię. Podróż powrotna również zajmie około 9 miesięcy, co daje łącznie 21 miesięcy trwania misji. Jest to dłuższy okres, niż jakikolwiek człowiek spędził jednorazowo w kosmosie.

Wizja pojazdu Starship SpaceX, który mógłby pełnić rolę transportu, ale i domu dla astronautów podczas pobytu na Marsie. (fot: SpaceX)

Jeśli zdołalibyśmy skrócić czas podróży do 6 miesięcy, na co liczy SpaceX, to załoga mogłaby na Marsie spędzić więcej czasu, ale nie oznacza to szybszego powrotu, bo trzeba i tak czekać na korzystne okno powrotne. Chyba że wykorzystalibyśmy grawitację Wenus w drodze powrotnej, co pozwoliłoby skrócić czas pobytu na Marsie do miesiąca. Jest też opcja szybkiego powrotu, w cztery miesiące, ale to wymaga 20 miesięcznego pobytu na Czerwonej Planecie.

Czy są inne opcje? Zastosowanie technologii napędu jądrowego może skrócić podróż z kolei do 30-40 dni. To bardzo korzystne rozwiązanie, bo człowiek szybko postawiłby znowu nogę na twardym gruncie. Jednakże lot i powrót w takim przypadku również trzeba byłoby synchronizować z ruchem obu planet.

Pozostaje nam kwestia szybkiej podróży do Marsa, który znajduje się po przeciwnej stronie Słońca, co z dzisiejszego punktu widzenia stanowi wyzwanie o gargantuicznych rozmiarach. Wymaga to współpracy z grawitacją Słońca, co z kolei potrzebuje potężnego napędu w przypadku masywnego pojazdu. Obecnie dysponujemy sondą Parker Solar Probe, która zbliża się do Słońca i oddala od niego, osiągając prędkości bliskie 200 km/s, ale nawet ta sonda nie jest zdolna do oddalenia się od Słońca na tyle, aby dotrzeć do Marsa.