Jak dopravit těžký náklad na Mars ? Často opomíjený problém dobývání rudé planety

Zdálo by se, že cesta na Mars je jedno velké nebezpečí, ať už se jedná o riziko exploze nosné rakety, špatné navedení na určenou dráhu či o vysoké dávky radiace v kosmickém prostředí. Jen málokdo si ale uvědomuje, že to nejnebezpečnější (a současně i nejsložitější) na nás čeká až na konci cesty, během přistání na povrchu. A je jedno, jestli se jedná o automatickou sondu či o případnou loď s lidskou posádkou. K naší smůle v atmosféře Marsu totiž panují takové podmínky, které přistání značně komplikují. Po téměř 40 let jsme spoléhali na využití kombinace klasického tepelného štítu a obyčejného padáku jako hlavního způsobu zabrzdění přistávajícího tělesa, nicméně tomuto způsobu pomalu odeznívá. Jsme totiž na samém okraji technických možností tohoto způsobu přistání. S jeho pomocí totiž nejsme schopni dopravit na povrch Marsu více jak jednu tunu nákladu. Co s tím?

Když vyšleme k Marsu sondu (či jednou i loď s lidskou posádkou), v době příletu k planetě se pohybuje rychlostí mezi 4 až 7 km/s. Pokud s ní chceme přistát, musíme se této rychlosti beze zbytku zbavit. Tedy bezpečně zrušit veškerou kinetickou energii přelétajícího tělesa. Naštěstí pro nás má Mars atmosféru, která nám pomáhá. Máme totiž možnost navést sondu do atmosféry a za pomoci tření sondy o okolní molekuly vzduchu, tzv. atmosférického brzdění či aerobrakingu, snížit její rychlost. Tímto způsobem je možné odstranit ~99 % rychlosti, nicméně je potřeba, aby sonda byla vybavena tepelným štítem. Dalších ~0,98 % rychlosti jsme následně schopni ubrat za pomoci padáku. Naneštěstí má atmosféra ale i své stinné stránky; není dostatečně silná k tomu, aby se dal padák využít k celkovému zbrzdění sondy podobně jako na Zemi. Stále nám totiž zbývá smazat přibližně 0,02 % rychlosti, se kterou se musíme vypořádat. To se sice nezdá mnoho, ale odpovídá to 50 až 100 m/s. Tedy dostatečné rychlosti, abychom s naší sondou na povrchu Marsu vyhloubili další impaktní kráter. Poprvé se povedlo zbavit veškeré rychlosti v 70. letech 20. století dvojici amerických sond Viking a to za použití klasického tepelného štítu, padáku, raketových motorů a přistávacích nohou (podobný způsob využila i sonda Pheonix a plánuje se i pro misi InSight). Následovala pak úspěšná trojice misí využívající airbagy (Mars Pathfinder, vozítka Spirit a Opportunity) a naposledy jsme mohli vidět, jak se vozítko Curiosity snáší na povrch Marsu z Nebeského jeřábu (tzv. Sky Crane, pro připomenutí viz video níže).

Když se podíváme na hmotnosti dopravených sond, vidíme, že sondy Viking vážily každá 576 kg, Curiosity pak okolo 907 kg. Za 40 let se nám tak povedlo dopravit na povrch Marsu sondu těžší o pouhých 331 kg. Jak ale rostou naše nároky na sofistikovanost průzkumných sond (a jednou případně i na zařízení pro pobyt lidí), roste s nimi i požadavek na vysílání stále větších a těžších zařízení. A jak moc? Jen pro představu: lunární modul Apollo  k přistání člověka na Měsíci měl hmotnost přibližně 10 tun, a to tam byli astronauti jen na pár dní. V případě Marsu nicméně budou astronauti muset strávit na povrchu několik měsíců, což značně zvýší nároky na množství zásob a tedy hmotnost celé mise. Odhaduje se, že bude potřeba na povrch dopravit 10 až 80 tun nákladu (v závislosti, kterou studii proveditelnosti si vyberete). A dopravit na povrch Marsu takto hmotný náklad je nyní zcela neproveditelné. V současnosti totiž nejsme schopni na povrch dopravit jedním letem více jak jednu tunu nákladu. Kdybychom tam chtěli požadovaný náklad dopravit, museli bychom tedy vypravit desítky lodí, čehož bychom dosáhli pouze s astronomickými náklady…

Práh jedné tuny je dán specifickými podmínkami atmosféry Marsu a používanou technologií. Atmosféra Marsu je velice řídká, dosahuje hodnoty jen 1 % pozemské, což stěžuje přechod z extrémních rychlostí na hodnoty pod rychlostí zvuku (Mach). Země poskytuje ten komfort, že zbrzdí padající těleso (v podstatě bez ohledu na jeho hmotnost, samozřejmě si odmysleme nyní extrémní hodnoty typu menší planetky…) na rychlost zvuku ve výšce přibližně 20 km. Stačí tedy jen na kosmickou loď přimontovat tepelný štít a většina rychlosti je úspěšně odstraněna. Zbytku se pak zbavíme využitím vztlaku vzduchu (jako raketoplán), padáku (jako Apollo, Sojuz, Dragon…) či raketového motoru (jako Dragon V2). Jenže tohle v případě Marsu neplatí. V marsovské atmosféře loď těžší než jedna tuna nikdy nezpomalí takto výrazně v čase, který má k dispozici (sonda má totiž jen přibližně 90 vteřin, během kterých musí přejít z rychlosti Mach 5 na Mach 1, připravit se na přistání, tedy ve většině případu se přeměnit z kosmického poutníka na přistávací modul, rozvinout padák, zažehnout brzdící raketové motory a měkce přistát). Přilétající sonda tedy nezpomalí dostatečně k tomu, aby měla vůbec možnost otevřít padák. Ten se dá totiž otevřít jen tehdy, když rychlost poklesne pod Mach 2. A tím se dostáváme do problému. Jak tedy dopravit na povrch těžké zařízení?

Nabízí se řešení v podobě využití vztlaku vzduchu k prodloužení doby strávené v atmosféře a tím pádem i k brzdění. Podobně jako jsme využívali pozemskou atmosféru pro hladké přistání raketoplánů. Aby tento přístup fungoval v případě Marsu, loď by musela klesnout hluboko do atmosféry. V podstatě by se v rychlosti Mach 2 či 3 pohybovala těsně nad členitým povrchem. To by se teoreticky dalo zvládnout s kvalitním řízením letu, nicméně fatální problém vyvstane v závěrečné fázi přistání. Loď dostatečně velká (a tedy i hmotná) k tomu, aby byla schopna klouzavého letu v atmosféře, by vyžadovala na bezpečné přistání nadzvukový padák o rozpětí 100 metrů – jenže takto velký padák se ale nemá v nízké výšce  šanci rozvinout (a ani není potřeba zmiňovat to, že 100 m padák ani nikdo nikdy rozvinout nezkoušel). Takže tudy tedy cesta (nejspíše) nevede.

Co tedy využít raketový motor podobně jako využíval lunární modul Apollo při přistání na Měsíci? Ani tohle se nezdá jako vhodná cesta. V první řadě je problém s interakcí atmosféry Marsu při nadzvukové rychlosti a plyny unikajícími z trysek raketového motoru. Unikající plyny působí proti velkému tlaku okolního vzduchu, což způsobuje extrémní nárazy a napětí v použitém materiálu na konstrukci sondy. To může vést ke zničení vysílaného zařízení. V druhé řadě je tu pak problém s hmotností takové lodi. Každý kilogram nákladu na oběžné dráze Marsu vyžaduje přibližně 2 kilogramy paliva k dopravení na povrch Marsu. Odhaduje se tak, že ve výsledku by hmotnost raketového systému převyšovala hmotnost nákladu přibližně šest krát. (Nicméně na tomto poli dochází k určitému posunu a to převážně vlivem aktivit soukromé společnosti SpaceX. Ta se snaží vyvinout vícenásobně použitelnou raketu i kosmickou loď, se kterými by se dalo přistávat na povrchu tělesa. V roce 2014 uzavřela SpaceX s NASA dohodu o sdílení vědeckých dat, na jejímž podkladě provádí NASA tepelné snímkování vracejícího se prvního stupně Falcon 9. To vše ve snaze lépe pochopit chování těles při nadzvukovém letu skrze řídkou atmosféru. NASA doufá, že se jí tak podaří získat znalosti použitelné pro přistávání nákladu na Marsu. Kam to ale povede, zatím nelze předjímat. Nicméně výsledek teplotního snímkování ukazuje video níže.)

Pokud tedy budeme chtít dopravovat na povrch Marsu náklad těžší než 1 tuna, bude potřeba přijít s novým řešením. Ale s jakým? Zdá se, že by to mohl být větší tepelný tepelný štít. Ten by totiž umožňoval větší tření v atmosféře a tím i výraznější pokles rychlosti, konkrétně pod Mach 2, kde by se již dal otevřít velký nadzvukový padák. Při aplikování tohoto řešení ale narážíme na problém, jak do vesmíru vynést ze Země dostatečně velký tepelný štít. Jeho velikost je totiž limitována velikostí nákladového prostoru v současnosti používaných raket. Na řešení tohoto problému pracuje již po několik let americká NASA. Ta se snaží vyvinout řešení v podobě tzv. Low-Density Supersonic Decelerator (volně přeloženo jako Nízko-hustotní nadzvukový decelerátor) šité přesně na míru podmínkám Marsu. Tento systém se skládá z revolučního nafukovacího tepelného štítu (Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator), velkého nadzvukového padáku a raketových motorů. S jejich využitím bychom měli být schopni dopravit na povrch Marsu náklad o hmotnosti až 2,7 tun (respektive 2 tun po odečtení hmotnosti potřebného na zařízení na přistání). Tedy dvojnásobek současné maximální hmotnosti!

Nafukovací tepelný štít funguje tak, že po vstupu sondy do atmosféry dojde k jeho rapidnímu nafouknutí. Tím se zvětší brzdící plocha bez nutnosti využívat větší nosnou raketu. Zvětšení plochy by mělo umožnit zpomalit sondu z rychlosti 4280 km/h na 2445 km/h (Mach 2). V této rychlosti bude možné otevřít 34 metrů široký nadzvukový padák pro další zbrzdění sondy (jen pro srovnání Curiosity využívala 15,5 m velký padák), o zbytek by se pak měly postarat raketové motory. V červnu 2014 proběhl test nafukovacího tepelného štítu a velkého padáku poblíž Havaje, dalo by se říci v ostrých podmínkách. Za pomoci héliového balónu bylo totiž experimentální zařízení vyneseno do výšky 37 km, kde se zažehl raketový motor. S jeho pomocí bylo zařízení urychleno na nad nadzvukovou rychlost a vyneseno ještě výše (do 55 km). V této výšce panují atmosférické podmínky podobné těm na Marsu. Následně se podařilo tepelný štít nafouknout, čímž se prokázala funkčnost konceptu. Nicméně v průběhu letu se nepovedlo správně otevřít nadzvukový padák, načež se experimentální zařízení zřítilo do vod Tichého oceánu, kde bylo vyloveno doprovodnou lodí k analýze. Samotná NASA ale považovala výsledek testu za úspěch, nikoliv za nezdar! Test jí totiž umožnil získat cenná vědecká data k další analýze. Další dva testy jsou plánovány na rok 2015 a tak uvidíme, jestli se inženýři z předchozího dílčího nezdaru poučili.

Experimentální zařízení pro zkoušku nafukovacího tepelného štítu krátce po vyzdvižení z vod Tichého oceánu. NASA/JPL-Caltech, zdroj Public Domain.

Jsme tedy blízko k tomu, abychom měli k dispozici novou generaci přistávacího zařízení, s jehož pomocí budeme schopni na povrch umístit náklad 2 tun. Jenže buďme realisté. I to bude stále málo k tomu, abychom mohli na povrch dopravit člověka (z toho důvodu se nebojme klidně odpískat záměr Mars One na reality show z Marsu… Nemají šanci dopravit na povrch se současnou technikou dostatečné množství zásob). Ke splnění tohoto cíle bude potřeba dopravit na povrch minimálně 10 až 15 tun nákladu  (nicméně je klidně možné, že to bude i mnohem více – klidně 40 až 80 tun) a to se současnou technikou prostě nezvládneme. Sice existují úvahy, že by mělo být možné poskládat vedle sebe několik těchto velkých padáků a tak dopravit na povrch zas o trochu více, ale i to nebude stačit. Buď budeme muset provést několik desítek startů (s přesným místem přistání) a nebo přijít s něčím zcela revolučním. V blízké době ale nejspíš nepočítejme s tím, že se na Mars podaří dopravit zařízení těžší než 1 tuna (což bude mimochodem i hmotnost vozítka Mars 2020, sesterského vozítka Curiosity).

A když si tohle uvědomíme, pochopíme, proč NASA zvažuje, že by astronauti Mars jen obletěli, z oběžné dráhy řídili roboty operující na jeho povrchu a pak se zas vrátili zpět. Takováto mise by totiž byla neskutečně technicky méně náročná… Jenže, rozhodně mnohem méně inspirativní…  Ale když už nic, se dvojnásobnou hmotností je možné, že se alespoň dočkáme (konečně) návratu horninových vzorků z Marsu.

Napsat komentář