NASAs Design Reference Architecture er det nærmeste vi kommer et veikart til Mars
Hva er NASAs plan for å sende mennesker til Mars?
NASA har ikke fått bevilgninger til å sende mennesker til Mars, men forsker hele tiden på hvordan vi kan gjøre det. I 2009 utga NASA en studie kalt Human Exploration of Mars – Design Reference Architecture 5.0, der en bemannet ferd gås gjennom i detalj. NASA ønsker å sende tre ekspedisjoner med 6 astronauter hver til Mars, spredt ut over ti år. Astronautene er på Mars i 500 dager, utforsker planeten i rombiler og lære seg å leve der. På hjemturen skal de bruke brennstoff som er laget av Mars-atmosfæren med energi fra kjernekraftverk. Det er ikke angitt noe tidspunkt, men årstall rundt 2040 er brukt som eksempler.
Bakgrunn
Helt siden 1950-tallet har amerikanske romforskere laget planer for hvordan vi skal sende mennesker til Mars. De fleste av disse planene var svært ambisiøse. Man skulle gå gradvis fram, gjerne via romstasjoner i jordbane og månebaser, før et eller flere kjempesvære Mars-skip ble sendt avgårde på én gang. Dette toppet seg i 1989, da president Bush lanserte sitt «Space Exploration Initiative». Her ble det foreslå dra til Mars via en romstasjon og en månebase i løpet av de kommende 30 årene.
Da NASA regnet på prosjektet kom man til en pris rundt 500 milliarder dollar, noe som i praksis innebar at det var sjanseløst i Kongressen. En av mange som reagerte med oppgitthet over at nok et topptungt og rådyrt NASA-program var dødt ved ankomst, var romforskeren Robert Zubrin. Han tok initiativet til en studie han kalte «Mars Direct», der hovedprinsippet lå i navnet: Hvis målet er Mars så drar du til Mars, ikke til Månen. Et annet grunnprinsipp var at man i størst mulig grad skulle bruke kjent teknologi for å holde kostnadene nede.
Et tredje prinsipp var «living off the land», å bruke Mars-ressurser til å lage livsnødvendigheter som vann, oksygen og brennstoff (Zubrin har bl.a. sagt at norske polfarere inspirerte ham her). Det fjerde og kanskje viktigste: Mars-ferder måtte skje trinnvis. I god tid før de første menneskene landet ville et ubemannet romskip ha levert livsnødvendigheter som boligmodul, kraftverk og utstyr for å produsere vann, oksygen og brennstoff.
Utstyret ville utplasseres av roboter, og man skulle ikke sende mennesker avgårde før man var sikker på at det var produsert brennstoff nok til returferden. På denne måten ville Mars ikke bli et farlig og ukjent reisemål, men tvert imot en trygg havn med husly, luft og varme. Zubrins planer møtte mye kritikk, og gjennomgikk mange endringer i årene som fulgte.
Men for NASA ble «Mars Direct» et vendepunkt. Gradvis ble stadig flere av prinsippene bak konseptet tatt inn i en serie med studier kalt «Design Reference Architecture» og den gjeldende versjon 5.0 fra 2009 (la oss forkorte den DRA5) inkorporerer stort sett alle Zubrins prinsipper: Bruk av kjent teknologi, bruk av Mars’ atmosfære til å lage brennstoff og vann og ikke minst trinnvise landinger med flere års mellomrom.
500 dager på Mars er bedre enn 30
Jorda og Mars går i ulike baner med ulik fart, og det skaper mye hodebry for NASA og andre som skal planlegge Mars-ferder. Med dagens teknologi kan vi bare reise til Mars når de to planetene står nær hverandre, og det skjer ca hver 26 måned. Når astronautene så skal tilbake til Jorda får de samme problem: avstanden bør ikke være for stor.
I praksis finnes det bare to mulige alternativer: Enten reiser man tilbake etter bare 30 dager, eller man venter til neste gang Jorda er i en passende stilling – som er 500 dager senere. I det første tilfellet blir lengden på den samlede ferden 650 dager, i det andre 916 dager. Valget burde med andre ord være enkelt: Man går for ferden som varer kortest og utsetter astronautene for minst mulig stråling.
Men en ferd på 30 dager vil åpenbart være av mye mindre verdi. NASA regner med at astronautene vil trenge flere uker på å venne seg til Mars-gravitasjonen, dermed går det meste av tiden til akklimatisering. Astronautene rekker ikke å utforske særlig mye av omgivelsene, og man får altfor lite data om effekten av et lengre opphold på menneskekroppen.
I tillegg krever denne typen ferd at man tar en svingom innom Venus på veien hjem. Romskipet vil faktisk tilbringe mange uker innenfor Venus’ bane, og er dermed mye nærmere Sola og dens farlige strålingsutbrudd. Dette er grunnen til at DRA5 lander på plan b i bildet over: Opphold på Mars på 500 dager per mannskap, og en samlet lengde på ferden på 916 dager.
Hver ekspedisjon krever tre raketter som sendes i to omganger
Det er mange fordeler ved å dele opp en bemannet ferd i to trinn. Som nevnt over, kan man komme igang med å produsere brennstoff til hjemturen før mannskapet har forlatt Jorda. Roboter kan utforske landingsområdet og forberede astronautene på hva de vil møte, noe so vil gjøre utforskningen mer effektiv. Forsyninger blir ikke skadet av stråling i det interplanetariske rommet, så man kan velge en langsommere og mer økonomisk bane til Mars.
Ifølge DRA5 vil utforskningen starte med at to raketter sendes til Mars, hver med ca 50 tonn nyttelast. Når de kommer frem bruker de atmosfæren til å bremse ned farten før de lander ved målet like etter hverandre. Atmosfærebremsing sparer mye brennstoff sammenlignet med rakettbremsing – 350 tonn tilsammen. Boligmodulen plasseres ut, kjernekraftverket transporteres bort fra den (se nedenfor) og brennstoffproduksjon settes igang.
Først når det er nok brennstoff til hjemreisen gir klarsignal til astronautene på Jorda. De drar med et raskere, atomdrevet romskip (Mars Transfer Vehicle, MTV) 26 måneder etter lasteskipene. MTV bremser ved rakettkraft før det går inn i bane rundt Mars. De seks astronautene drar ned i et landingsfartøy mens MTV går dvale i bane rundt Mars. Etter 500 dager på overflaten blir landingsfartøyet fylt med brennstoff og oksygen, tar av og dokker med MTV som så flyr til Jorda. Her lander mannskapet i havet på Apollo-måten, i en liten romkapsel.
Skjemaet over viser hvordan NASA ser dette for seg som en tiårig kampanje. De mørkeblå stripene er lasteskip som sendes avgårde i forkant av den lyseblå stripen, som er et bemannet skip. Her ser man også at det sendes to lasteskip til den neste marsferden sammen med den første bemannete ferden. Slik sikrer man seg at astronautene har en backup-løsning: Om anlegget på Mars skulle svikte av en eller annen grunn, ankommer de samtidig med neste ekspedisjons utstyr.
Boligmodulen er en romstasjon på bakken
I DRA5 er det ikke brukt mye plass på boligmodulen (Surface Habitat eller SHAB), isteden har man basert seg på tidligere studier av et månehabitat pluss erfaringer fra den Internasjonale romstasjonen. I praksis vil jo SHAB være en romstasjon på overflaten til en planet: Det må være lufttett, rense oksygenet for CO2, resirkulere vann og håndtere urin og avføring. Habitatet må ha plass nok til alle normale menneskelige aktiviteter, i tillegg må det fungere som et laboratorium og kanskje også et drivhus siden NASA ikke har satt av plass til et eget drivhus i DRA5.
SHAB må også ha luftsluser som kan rense romdrakter for Mars-støv, som man ikke ønsker å få inn i leveområdet. Det vil neppe utrustes med beskyttelse mot økt stråling på overflaten, isteden vil en økt risiko for kreft bli noe de første Mars-astronautene må ta i betraktning før de melder seg. Alle de viktigste funksjonene i habitatet må kunne fjernstyres, så det kan driftes fra jorda i de mer enn to årene som går før astronautene ankommer.
Fire marsbiler per ferd
For å utforske Mars grundig må de to første lasteskipene ha med seg fire biler. To av bilene vil ha trykkabin og være store nok til at to astronauter kan dra på langtur og bo i dem. Energikilden vil enten være solceller eller et lite, plutoniumdrevet kjernekraftverk. Bilene må være kraftige nok til å kunne ta med seg tungt forskningsutstyr. I DRA5 er man spesielt opptatt av kunne drille dypt ned i overflaten, gjerne 100 meter eller mer. Det er her man venter å finne mye av svaret på hva som skjedde med Mars for milliarder av år siden.
Mens de store marsbilene kan lades med solceller og kjøre hundrevis av kilometer, vil to små biler brukes i nærområdene. De vil være uten trykkabin og minne om dem Apollo-astronautene tok med seg. NASA anslår at en astronaut vil ha oksygen nok til å gå i ca to mil, så for de små bilene vil regelen være den samme som under Apollo: Man kjører ikke lenger enn at det er mulig å gå hjem i nødsfall. Ellers vil all aktivitet utenom SHAB styres av prinsippet om at minst to astronauter holder seg inne og bemanner habitatet til enhver tid.
Lokal produksjon av brennstoff
NASAs forkortelse for lokal produksjon av ressurser er ISRU for In-Situ Resource Utilization. Dette forskes det mye på, blant annet skal sonden «Mars 2020» ha med seg et lite ISRU-anlegg for produksjon av oksygen fra atmosfæren. Rakettmotorene i landingsfartøyet forbrenner flytende metan, som kan lages på overflaten om man finner vann. Men siden dette er den første ekspedisjonen velger NASA å bruke en enklere prosess: Å hente oksygen ut av atmosfæren ved å spalte CO2-molekyler med elektrolyse.
Oksygen, som er nødvendig for at brennstoff skal forbrenne i vakuum, veier tre ganger så mye som metan-brennstoffet. Ved å ta metanet med fra Jorda og lage oksygenet lokalt sparer man 75% av væskemassen. Det skal også tas med 400 kg flytende hydrogen som skal kombineres med innfanget oksygen og lage vann til habitatet. NASA forsker på å lage hydrogen lokalt av vann som finnes i mars-jorda eller regolitten, men det er en langt mer komplisert prosess som må vente til senere ferder.
Det er én stor ulempe med ISRU-produsert brennstoff: Fordi landingsfartøyet tømmer seg for oksygen under landingen, mister man muligheten til å gjennomføre en nødmanøver kalt «Abort to orbit». Hvis noe går alvorlig galt under landing har romskipet ingen mulighet til å avbryte og starte på oppskytningen til MTV-romskipet i bane. Dette ga en ekstra sikkerhet under Apollo-ferdene, på Mars vil man måtte kompensere ved å være nøye med å planlegge landingen og bruke pålitelig maskinvare.
Kjernekraft er bedre enn solceller
Ekspedisjonen er avhengig av jevn og stabil energiproduksjon fra lasteskipene lander. Planen er at det meste av energien som produseres går med til å lage oksygen og vann før astronautene ankommer, deretter vil det meste gå med til drift av SHAB, kommunikasjon med Jorda og lading av biler. I DRA5 vurderes solceller opp mot kjernekraft. I utgangspunktet er NASA positive til solceller, en pålitelig og velprøvd teknologi som dessuten er politisk ukontroversiell. Men på Mars har solceller alvorlige ulemper.
DRA5 anslår at det trengs ca 30 kW til å produsere oksygen og vann. Fordi solceller kun produsererer energi i underkant av 8 timer daglig, anslår NASA at det trengs en produksjonskapasitet på 100 kW for å kunne produsere like mye oksygen. Støvet i Mars-atmosfæren legger seg på solcellepaneler og kan etterhvert redusere kapasiteten. Erfaringen med marsbilene Spirit og Opportunity viste at panelene kan renses seg selv i såkalte «cleaning events». Men slike hendelser er uforutsigbare, og ingen vet om de fungerer på et anlegg på mange hundre kvadratmeter. Støvstormene som kan redusere sollyset til 15 % av normalen er også en usikkerhetsfaktor.
Solceller fungerer dårlig langt mot nord og sør på Mars, så halvparten av de 58 områdene som ses på som interessante for utforskning på Mars er uaktuelle på grunn av lite solenergi. Derfor anbefaler DRA5 et kjernekraftverk med en kapasitet på 30 kW. Et slikt kraftverk vil veie 8 tonn, en tredel av solcellepanelene som trengs, og vil levere strøm døgnet rundt uavhengig av støv og vind. For å spare på tung strålingsbeskyttelse må kraftverket plasseres ca 1 km fra landingssonen. På sikt kan dette problemet løses ved å grave ned kraftverket, men på de tre første ekspedisjonene er det ikke satt av plass til graveutstyr.
Hvor realistisk er Design Reference Architecture 5.0?
På ett område er NASA fremdeles seg selv like, og det er i troen på at det vil lønne seg å gå via Månen. Men ellers er planen en realistisk tankeøvelse som ikke minst understreker hvor vanskelig det vil bli for andre aktører – som SpaceX – å kolonisere Mars. I studien sies det ingenting om prisen. Men det er gjort mye for å redusere kostnadene, så regningen for denne typen Mars-ferd vil ligge nærmere 50 milliarder enn 500 milliarder dollar, for å si det slik.
Det viktigste som har skjedd siden 2009 er fremveksten av private romaktører som SpaceX og Blue Origin. Ares-raketten som er utgangspunktet for DRA5 ble kansellert og erstattet av Space Launch System, men har nå fått konkurranse fra Falcon Heavy fra SpaceX. Samme selskap har også lansert konseptet BFR, en 100% gjenbrukbar rakett som kan etterfylles i rommet og på Mars, og som kan løse samme oppgaver som DRA5-rakettene til langt lavere kostnad.
Selv om ingen kan si med sikkerhet hvordan vi reiser til Mars (om vi noensinne gjør det), er DRA5 en såpass gjennomtenkt plan at eventuelle andre aktører sannsynligvis vil bygge på den. I den grad vi har sett noe konkret fra SpaceX i forbindelse med deres planer om kolonisering av Mars, ligner det på NASA-forslaget: Lokal brennstoffproduksjon, bruk av metan som brennstoff og to BFR-raketter som sendes ubemannet til Mars før mannskapet følger 26 måneder etter.
Mars-planen i populærkulturen
I boka og filmen «The Martian» (2015) skildres en ekspedisjon som i stor grad er basert på NASAs nyere Mars-planer. Forfatter Andy Weir har uttalt at dette har vært en del av researchgrunnlaget hans, og man kan også finne det igjen i trekk i handlingen. [Spoilervarsel] Ferden som skildres er av den korte typen, det vil si en måned istedenfor 500 dager lang. Redningen for hovedpersonen, Mark Watney viser seg å bli oppskytningsfartøyet til den neste Mars-ferden, som ankom Mars samtidig med mannskapet i tråd med DRA5.
Eksterne kilder
NASA: Human Eploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 (PDF)
First Landing Site Exploration Zone Workshop for Human Missions to the Surface of Mars
