Lunární brána je špatný nápad

Lunární brána pojetí umění. Zdroj: NASA

Stejně vzrušující, jako je to v případě Kanady, aby poskytla ruku (nebo spíše robotickou ruku) úsilí o průzkum vesmíru, je další slepá ulička projekt Lunární brána. Není třeba jeden a nedává to žádný finanční ani vědecký smysl.

Lunární brána, původně navržená NASA, je malá kosmická stanice, která by obíhala Měsíc a podporovala operace v cislunárním prostoru. 28. února kanadský premiér Justin Trudeau oznámil, že Kanada bude prvním národem, který se formálně zaváže k projektu. Pokud je však cílem rozšířit lidský dosah ve vesmíru, potřebné zdroje by byly lépe investovány jinde, například při skutečném přistání na Měsíc.

Zaprvé, pro Lunární bránu se neplánuje žádná zvláštní věda, kterou nelze místo toho provádět na oběžné dráze Země (například na Mezinárodní vesmírné stanici), na lunárním povrchu nebo se satelitem. V těchto lokalitách také poskytuje několik finančních, bezpečnostních a technických výhod.

Na měsíčním povrchu mají astronauti přístup k vodnímu ledu ve stinných oblastech, regolitu, aby se chránili před zářením a použili jako konstrukční materiál, a určitou gravitaci. Žádný z nich není přítomen na oběžné dráze.

Pokud jde o ozáření, bude Lunární brána umístěna mimo zemské magnetické pole. Magnetické pole zeslabuje a odvádí kosmické a sluneční záření, čímž snižuje expozici astronautů a život na Zemi. Obyvatelé Lunární brány budou chronicky vystaveni úplnému radiačnímu útoku. Nechráněný astronaut na povrchu Měsíce by obdržel podobnou dávku, ale astronauti mohli zakrýt své budovy v regolitu nebo jednoduše žít pod zemí, aby tomu zabránili. Pokud je pro Lunární bránu naplánováno jakékoli radiační stínění, musí být transportováno ze Země.

Koncept ESA pro měsíční základny chráněné před zářením ochrannou skořápkou regolitu. Zdroj: Evropská kosmická agentura (sdílená pod CC BY-SA 4.0)

Na lunárním povrchu by využití místních zdrojů, přítomnost pevné půdy a gravitace umožnilo obyvatelům vybudovat rozsáhlejší povrchová zařízení, než by bylo možné pro montáž na oběžné dráze. Vesmírná stanice bude nutně stísněna, zatímco povrchová základna může být stejně velká jako geologická formace, jako je přírodní lávová trubice.

Obecně je mnohem jednodušší stavět na planetě nebo měsíci než na oběžné dráze. Zatímco věda o stavbě na terra firma postupuje od prvních budov v Mesopotamii, stavba na oběžné dráze je stále v plenkách a je velmi drahá. Shromáždění Mezinárodní vesmírné stanice začalo v roce 1998 a stále probíhá; zatím to stálo více než 150 miliard dolarů a bude se i nadále zvyšovat. Všimněte si, že obíhá pouhých 400 kilometrů nad Zemí a že cesta do az ní trvá jen několik hodin.

Pokoušet se sestavit vesmírnou stanici kolem Měsíce, téměř 400 000 kilometrů a tři dny od Země, zatímco techniky montáže v prostoru jsou stále ještě v plenkách, je šílenství. Přenos komponent na měsíční orbitu ze Země vyžaduje podstatně více energie, vyžaduje výkonnější rakety a vyšší složitost mise. To dramaticky zvyšuje finanční náklady, riziko a nebezpečí; komponenty nemusí být dodány, dokovací manévry mohou chybět a nehody jsou kvůli vzdálenosti od Země drasticky nebezpečnější.

Solární panel poškozený kolizí na vesmírné stanici Mir. Zdroj: NASA

Vezměme si například požár vesmírné stanice Mir z roku 1997, který naštěstí úspěšně uhasil. Nebo si vezměte další příklad od Mira ve stejném roce, kdy do něj narazila nákladní loď, což způsobí, že modul odtlakuje a nutí astronauty, aby jej utěsnili. Novější událostí na Mezinárodní vesmírné stanici je selhání systému odstraňování oxidu uhličitého v roce 2010, které mohlo způsobit, že se astronauti zadusili. Naštěstí při těchto nehodách nebyl nikdo zraněn nebo zabit. Představte si však, že tyto incidenty vymkly kontrole, způsobily vážné zranění nebo nenapravitelně poškodily kritickou součást a pokud byla bezpečnost vzdálena půl týdne. Tato rizika by byla nižší na měsíčním povrchu než na oběžné dráze, kde je snazší stínění před zářením a troskami, gravitace drží objekty dole a usnadňuje ovládání palby a přístup k nerostným zdrojům je snadný.

Jedním z citovaných účelů projektu je studium účinků kosmického a slunečního záření na kosmonauty mimo zemské ochranné magnetické pole, v rámci přípravy na expedice do vesmíru na Mars a dále. Provádění takových experimentů na měsíční oběžné dráze má jen malý přínos. Radiační studie mohou být prováděny na měsíčním povrchu astronautů v záměrně nestíněných stanovištích (jejichž etika je ponechána jako cvičení pro čtenáře), zatímco jakékoli experimenty s nulovou gravitací mohou být prováděny na Mezinárodní vesmírné stanici. Kromě toho budou astronauti na Měsíci nebo v jeho blízkosti nejméně tři dny od pomoci v nepřítomnosti jaderných pohonných systémů. Lepší situace, kdy se vyskytnou nouze na dobře vybavené povrchové základně než stísněné orbitální stanici.

Kterákoli kosmická stanice nebo satelit navíc vyžaduje občasné manévry, aby se zabránilo rozpadu její dráhy. Toto je proces známý jako udržování stanic. Mezinárodní kosmická stanice to dosahuje tím, že kosmická loď střílí své motory na krátkou dobu, zatímco je k ní připojena, například ruská kosmická loď Sojuz. Pro tento účel bude Lunární brána vybavena baterií vysoce výkonných iontových motorů, oficiálně známých jako Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Finanční náklady zahrnují:

  1. Náklady na vývoj motoru.
  2. Náklady na přepravu hardwaru a pohonné hmoty (v tomto případě xenonu) na měsíční orbitu. Požadovaný hardware zahrnuje solární pole potřebná k napájení motoru a tepelné radiátory potřebné k udržení chladu.
  3. Náklady na údržbu a doplnění paliva.

Každá dlouhodobá kosmická stanice musí odpovídat za tyto náklady nebo riziko úniku z plánované oběžné dráhy. Údržba je dále umocněna, protože stanice je daleko od Země a Měsíc nebude mít průmyslovou základnu potřebnou k udržování vesmírných stanic v dohledné budoucnosti. V současné době nemohou výhody stanice na měsíční oběžné dráze ospravedlnit náklady.

Vesmírná stanice je také tepelně zranitelnější než povrchová základna. Mezinárodní kosmická stanice musí odmítnout teplo generované astronauty a zařízení do vesmíru nebo přehřátí. Toho je dosaženo pomocí chladicí smyčky čpavku, která shromažďuje teplo z uvnitř stanice, protéká radiátorovými panely a ztrácí teplo do prostoru prostřednictvím záření. Záření je nejméně účinný způsob odvádění tepla ve srovnání s konvekcí a vedením, protože tyto dvě látky používají jako médium pro přenos tepla. Protože prostor je vakuum, pouze záření je životaschopnou technikou řízení teploty, což ztěžuje chlazení.

Tepelné radiátorové panely na mezinárodní vesmírné stanici. Zdroj: NASA

Poruchy chladicího systému jsou mimořádně nebezpečné, což dokazují úzké hovory na Mezinárodní kosmickou stanici v letech 2007, 2012 a 2013; chladicí smyčka čpavku vytryskla do prostoru unikající chladicí kapalina a ohrozila systém řízení teploty. Pokud by systému bylo umožněno pokračovat ve ztrátě chladicí kapaliny, stanice by nakonec byla příliš horká na to, aby byla obyvatelná. Povrchová základna může účinněji řídit tepelné zatížení, protože může odvádět teplo přímo do země. Toto je potvrzeno výzkumem York et. al. na Harvardově univerzitě, což naznačuje, že teplota uvnitř lunárních lávových zkumavek je nízká až -20 ° C.

Lidé vystavení přímo vakuu vesmíru jsou často zobrazováni jako okamžité zmrazení ve (špatných) filmech sci-fi. Ve skutečném životě je mnohem pravděpodobnější, že člověk zůstane v teple a místo toho se musí starat o zadušení a těžké spálení sluncem. K pohonu tohoto bodu domů se často používají vakua, aby se zabránilo tepelným ztrátám, například v termosky a dewarových bankách, a vše v prostoru je obklopeno téměř dokonalým.

Jednou z potenciálních výhod vesmírné stanice je to, že její oběžné dráhy ji mohou udržovat v nepřetržitém slunečním světle a v dohledu na Zemi. Naopak, měsíční povrchová základna může být ve tmě týdny po sobě. To lze vyřešit umístěním počátečních základen na pólech. Na pólech jsou vrcholy osvětlené Sluncem až 94% roku, jak objevil lunární průzkumný orbiter. Elektrické výrobní zařízení by mohlo být umístěno na špičkách, jako jsou tyto, poskytující téměř konstantní energii. Další výhodou je, že existují i ​​oblasti, které jsou v neustálém stínu, ve kterých existují usazeniny vodního ledu - pro lidi ve vesmíru je látka nekonečně dražší než zlato.

I když může být pro využití lunární brány jako místa zastávky pro přistání na lunárním poli nějaký přínos, je pravděpodobné, že bude zanedbatelný. Cislunarská doprava pravděpodobně nebude v dohledné budoucnosti vysoká, zejména vzhledem k přísnému přístupu světových vlád k přidělování finančních prostředků na průzkum vesmíru. Architektury misí podobné těm, které jsou součástí programu Apollo, zůstávají nejjednodušším, nejvýhodnějším a finančně nejefektivnějším způsobem přepravy lidí a nákladu mezi Zemí a Měsícem. V podstatě cestující ze Země přistávají a přistávají na oběžné dráze a přistává mezi povrchem a oběžnou dráhou a orbiter se vrací na Zemi vše, co je třeba vrátit. Okružní prostředník je prostě zbytečný.

Fáze měsíční mise Apollo. Zdroj: NASA

Další navrhovaná aplikace Lunární brány je jako vysokorychlostní komunikační relé. To mohlo být obhájitelné v pre-tranzistorových dobách von Brauna, kdy by byla nutná malá armáda techniků k udržování vakuových trubic, což by vyžadovalo lidskou blízkost. S příchodem polovodičové elektroniky by však souhvězdí komunikačních satelitů bez posádky dosáhlo stejného účelu s mnohem větší účinností a nižšími náklady.

Další navrhovanou aplikací je použití Lunární brány k ovládání robotů na povrchu a pro telepresenci. Opět není důvod, proč to nelze udělat ze Země nebo z měsíční povrchové základny. Vzhledem k omezené rychlosti světla bude zpráva zaslaná na Měsíc trvat něco přes sekundu, než se vrátí, pak se odpověď vrátí o něco přes sekundu. V důsledku toho roboti ovládaní ze Země zažijí komunikační zpoždění asi dvě sekundy. Je však mnohem jednodušší a levnější jednoduše vypracovat protokoly pro práci nebo automatizaci v časovém zpoždění, než postavit fantastickou multi-miliardovou dolarovou stanici na oběžné dráze v Lunaru. Dvě sekundy mohou být příliš dlouhé zpoždění pro meziplanetární hru Fortnite, ale je stěží tak dlouhé, že brání účinnému provozu robota pro vědecké, technické a údržbářské účely.

A opět by se zpoždění snížilo na zanedbatelnou úroveň provozem z měsíční povrchové základny s přítomností komunikačních satelitů.

A konečně, průzkum Měsíce je považován za užitečný odrazový můstek na Mars snížením energie potřebné k opuštění zemské gravitace a působením jako tankovací sklad. Z pohledu astrodynamiky je to nesmyslné.

Energie potřebná k manévrování v prostoru se měří množstvím zvaným delta-v; požadovaná změna rychlosti kosmické lodi. Čím větší je delta-v, tím je pro manévr nutnější pohon. Například dosažení orbity Země z povrchu vyžaduje přibližně 9 km / s delta-v. Požadavky mise delta-v určují, kolik pohonné látky musí kosmická loď nést a jak dobře musí její motory fungovat.

Meziplanetární mise se obvykle provádí ve třech hlavních fázích:

  1. Injekční vypalování: Kosmická loď vystřelí ze svých motorů, aby vstoupila do trajektorie, která narazí na svůj cíl (např. Mars).
  2. Pobřeží: Motory kosmické lodi se vypnou a dojdou k cíli. V této fázi by se vyskytly jakékoli gravitační praky.
  3. Vložení hoří: Kosmická loď vypálí své motory, aby zpomalila, nebo může místo toho zpomalit pomocí atmosféry cíle (viz aerobraking).
Umělecký dojem z aerobraku Mars Reconnaissance Orbiter. Zdroj: NASA

Přenos z orbity Země na orbitu Marsu vyžaduje minimální delta-v 3,8 km / s. To předpokládá, že kosmická loď se zpomalí v místě svého určení letěním přes horní vrstvy atmosféry na Marsu; technika známá jako aerobraking. Kosmická loď v podstatě zpomaluje pomocí odporu vzduchu místo svých motorů, čímž šetří pohonnou hmotu. Tato metoda byla použita k úspěšnému dodání sond na oběžné dráze kolem planet s atmosférami, jako je Mars Reconnaissance Orbiter v roce 2006.

Pokud místo toho začne kosmická loď na lunární oběžné dráze, vystřelí ze svých motorů na Mars, pak na aerobrakes na marťanské oběžné dráze, vyžaduje minimální delta-v pouze 2,9 km / s - úspora 24%. To však zanedbává skutečnost, že jakékoli užitečné zatížení cestující z Měsíce na Mars musí nejprve cestovat ze Země na Měsíc. Měsíc nemá prakticky žádnou atmosféru pro aerobrake, takže jakékoli brzdění musí být provedeno odpálením motorů kosmické lodi. Z tohoto důvodu vyžaduje přenos ze Země na měsíční orbitu 4,8 km / s delta-v; kosmická loď potřebuje více paliva k cestování na Měsíc než k dosažení Marsu!

Výsledkem je, že minimální minimum delta-v pro odeslání kosmické lodi na Měsíc, pak na Mars, je absurdní 7,7 km / s, což je o 102% více energie, než je potřeba k jeho jednoduchému odeslání přímo na Mars! Jinými slovy, i kdyby existovaly tanky plné volného paliva obíhající Měsíc, stále by bylo levnější, méně složité a rychlejší je ignorovat a jít přímo na Mars!

Jediným způsobem, jak využít úspor delta-v, je, že část nebo celá kosmická loď byla sestavena na Měsíci pomocí lunárních zdrojů. To však bude pravděpodobně mnohem dražší a obtížnější než jeho montáž na Zemi, vzhledem k obtížím pracovat v nepřátelském prostředí bez průmyslové základny a dodavatelských řetězců Země. Kromě toho musí být infrastruktura potřebná k těžbě lunárních zdrojů pro výrobu pohonných hmot a kosmických lodí nejprve poslána na Měsíc a postavena dříve, než k tomu může dojít, což ještě více zvyšuje náklady. Myšlenka, že Měsíc je užitečným zastavením na cestě na Mars a zbytek Sluneční soustavy, je úplnou fraškou; nic to nezjednoduší a astronomicky zvyšuje riziko, nebezpečí a náklady.

Stručně řečeno, projekt Lunar Gateway je - jak v současnosti stojí - nerozumný.

Níže jsou uvedeny projekty, které zajistí mnohem větší vědeckou a technologickou návratnost investic. Přispějí přímo k cíli rozšířit lidský dosah ve vesmíru a poskytnout potenciální výhody pro život na Zemi. To jsou klíčové technologie, protože bez nich nebudou lidé nikdy cestovat dále od Země než Měsíc.

Koncept kosmické lodi Mars, která se otáčí, aby poskytla své posádce umělou gravitaci. Zdroj: NASA

Za prvé, umělá gravitace. Ukázalo se, že nulová gravitace je díky dlouhodobým pobytům na Miru a na Mezinárodní vesmírné stanici vysoce škodlivá pro zdraví astronautů s účinky od degenerace pohybového aparátu až po ledvinové kameny. Astronauti, kteří se vracejí z dlouhodobých pobytů na Mezinárodní kosmické stanici, jsou často bezmocní při přistání a musí být provedeni z přistávací kapsle, protože jejich svaly se zbytečně vyčerpaly. To je luxus, který na Marsu nebude k dispozici. Otáčením kosmické lodi k vytvoření odstředivé síly a simulaci gravitace lze tyto účinky zmírnit. Ačkoli to není skutečná gravitace, zabrání to škodlivým účinkům spojeným s nulovou gravitací. Je to podobné, jako když člověk může naplnit kbelík vodou a naklonit jej přes hlavu bez ztráty kapky.

Tento koncept lze vyzkoušet na oběžné dráze Země s existující kosmickou lodí, jako je například raketa SpaceX Dragon nebo ruská kapsle Sojuz. To může být připojeno s postrojem k mrtvé váze, takový jako vyčerpaná pomocná raketa. Poté, pomocí manévrovacích trysek, může být sestava točena a astronauti uvnitř kapsle zažijí pseudogravitaci.

Související, důležitou oblastí výzkumu je reakce lidského těla na prodloužená období frakční gravitace: Účinky nulové a zemské gravitace jsou dobře známy, ale není známo nic o tom, co se mezi nimi děje. Data shromážděná z dlouhodobých experimentů s frakční gravitací jsou zásadní pro pochopení zdravotních dopadů na průzkumníky a kolonisty do jiných světů. Takové experimenty by mohly být snadno provedeny na oběžné dráze Země pomocí výše uvedeného přístroje umělé gravitace. Mars má 38% gravitace Země a Měsíc 17% - budou lidské kosti a svaly stále odpadávat? Budou naši neohrožení marťanští kolonisté navštěvovat svou rodinu na Zemi? Nevíme a musíme to zjistit.

Umělecký dojem, že se vozidlo s návratem vzorku Mars vrací na Zemi. Zdroj: NASA

Za druhé, vzorkové mise Mars. Sonda je poslána na Mars, sbírá vzorky a vrací je na Zemi. Část, která se vrací na Zemi, může pomocí marťanské atmosféry vyrobit potřebné palivo pro nohu vázanou na domov, čímž se sníží náklady na misi. Toto je technika zvaná Využití zdrojů in situ (ISRU).

Výzkum ISRU je plánován na roveru Mars 2020, který bude nést vědecký modul MOXIE (Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment), který se bude snažit produkovat oxid uhelnatý a kyslík z marťanské atmosféry. Toto je potenciálně životaschopná kombinace paliva. Alternativně může sonda nést palubní přívod vodíku, který může kombinovat s marťanskou atmosférou za účelem produkce metanu a kyslíku pomocí Sabatierovy reakce - další potenciálně životaschopné palivové kombinace.

Mise s posádkou na Marsu by pravděpodobně používala podobnou architekturu mise, která by přepravovala lidi a zásoby na povrch, produkovala palivo s místními zdroji a poté vracela lidi a vzorky na Zemi. Mise Mars s návratem vzorku by umožnila miniaturní testování této architektury.

Sondy jako Zvědavost, Příležitost a Viking se dále spoléhaly na palubní robotické vědecké balíčky pro analýzu vzorků Marsu. Analytická kapacita těchto sond je vážně omezena masovým rozpočtem posilovačů, které je posílají na Mars, což omezuje vědecký návrat. Vrácení vzorků na Zemi, které by byly podrobeny plné zuřivosti pozemských laboratoří a odborných očí předních lidských geologů, by odstranilo všechny tyto limity. Dozvěděli jsme se více o tom, jak se Mars formoval, jak se formovala Země, jak se formovala sluneční soustava, jak geologické procesy fungují jak na Zemi, tak na jiných planetách, potenciálně o abiogenezi, ao tom, co mohou astronauti očekávat, když dorazí na Mars.

Stojí za zmínku, že pouhé tři roky oddělily první přistání sondy na Měsíci a první bootprint a že před Apollem 11 neexistovaly žádné úspěšné měsíční mise pro návrat vzorků.

Belgický astronaut Frank DeWinne představuje vedle experimentu na pěstování salátů na Mezinárodní vesmírné stanici. Zdroj: NASA

Zatřetí, uzavřené ekologické systémy na podporu života (CELSS). Lidé cestující daleko dále než Měsíc, jako například na Mars, asteroidy nebo vnější planety, budou po několika měsících nebo letech od zdroje. Recyklace veškerého vzduchu, vody a odpadu je nezbytná, ať už na kosmické lodi nebo na lunární základně. Takové systémy nemusí být dokonce vyvíjeny ve vesmíru - mohou být testovány v laboratořích na Zemi, poté validovány na Mezinárodní vesmírné stanici, snižují náklady na doplnění a zvyšují odolnost v případě poruch a mimořádných událostí.

Prototypový jaderný reaktor jako součást programu NASA Kilopower. Zdroj: NASA

Začtvrté, vesmírná jaderná energie. Solární panely budou moci dodávat energii na Mars, ale mohou být zneškodněny nečistotami, počasím nebo jednoduše za soumraku. Kromě toho se solární panely stávají zbytečnými za Jupiterem, protože Slunce je prostě příliš slabé. Kromě toho budou muset základny na Měsíci, které se nenacházejí v blízkosti pólů, pracovat bez Slunce celé týdny. Jaderné reaktory poskytnou astronautům a jejich zařízením výkonný a spolehlivý zdroj energie. NASA učinila velké pokroky ve vývoji lehkých kosmických jaderných reaktorů, takže tato technologie je na dobré cestě.

Zkušební palba jaderné tepelné rakety v roce 1971. Zdroj: NASA

Rakety s jaderným pohonem by také usnadnily cestování ve vesmíru snížením požadavků na pohonné hmoty, i když to není pro počáteční expedice na Měsíc nebo Mars nezbytné. Je třeba poznamenat, že Spojené státy úspěšně testovaly jaderné raketové motory prostřednictvím programu NERVA (jaderný motor pro aplikaci raketových vozidel) již v šedesátých letech - jde o stěží novou technologii.

Závěrem lze říci, že Lunární brána je zbytečný útěk, který selže dříve, než začne, protože není motivován rozumným technickým úsudkem. Je to špatná investice do zdrojů a bude jednat pouze proto, aby odvrátila pozornost od konečných cílů trvalé lidské přítomnosti na Měsíci, na Marsu a dále.

Vesmírné agentury Spojených států a Kanady by se měly zaměřit na přistávací boty na Měsíci a zasílání expedic na Mars; řízené, zaměřené úsilí, jako jsou ty, které otevřou dveře lidstvu, aby se rozšířilo do vesmíru, nikoli bezcílné jaywalking v cislunárním prostoru. Větší návraty - a troufám si říci, sláva - vycházejí z nich než z vesmírné stanice na oběžné dráze kolem ní.

Úspěch programu Apollo ukazuje, že nejlepší cesta je často ta nejjednodušší, nejpřímější; nepotřebovala žádné kosmické stanice pro montáž na oběžné dráze ani nevyžadovala výstavbu vesmírné infrastruktury s vysokým kapitálem. Ty přijdou později, jakmile se vesmírné cestování stane rutinním jako letecký let.

Doporučené čtení

Roving Mars (Steve Squyres): Rázný a podrobný popis zkušeností hlavního vyšetřovatele pro rovery Spirit a Opportunity. Hluboko se ponoří do technických i lidských požadavků takové mise.

Případ pro Mars (Robert Zubrin): Návrh architektury mise Mars Direct: Nákladově efektivní, minimální riziko, maximální návratnost lidské mise na Mars, s vizí budoucího průzkumu, trvalé přítomnosti, kolonizace a terraformingu. Z těchto důvodů se Mars Direct stala referenční architekturou NASA pro plánované expedice na Marsu.