yprawa na Marsa – to nie brzmi zbyt zach´cajà-
co. Planeta rzadko zbli˝a si´ do nas na mniej ni˝
80 mln km (to Êrednia odleg∏oÊç pomi´dzy Zie-
mià a Marsem podczas opozycji; w tzw. wielkich opozycjach
jest ona znacznie mniejsza, np. w roku 1924 i 1971 wynosi∏a
zaledwie 56 mln km, podobnie b´dzie w roku 2003 – przyp.
t∏um.). Podró˝ tam i z powrotem musi zajàç lata. Naukowcy
i in˝ynierowie twierdzà, ˝e potrafià rozwiàzaç g∏ówne proble-
my techniczne, przed którymi stoi ekspedycja za∏ogowa. Naj-
wi´kszà przeszkod´ stanowià ogromne koszty.
Szacowania kosztów marsjaƒskiej misji sprowadzajà si´ do
jednej kluczowej wielkoÊci: masy pojazdu. L˝ejszy pojazd po-
trzebuje mniejszej iloÊci paliwa, a to decyduje o kosztach lotu
kosmicznego. Historia planowania wyprawy marsjaƒskiej to
w du˝ej mierze próby zminimalizowania masy bez nadmier-
nego uszczerbku dla bezpieczeƒstwa i zadaƒ naukowych mi-
sji. W 1952 roku pionier techniki rakietowej Wernher von
Braun przedstawi∏ projekt armady statków kosmicznych na-
p´dzanych konwencjonalnymi silnikami na paliwo chemicz-
ne – startujàc z orbity wokó∏ziemskiej, mia∏yby ∏àcznà mas´ 37
200 t. Ju˝ samo wyniesienie na orbit´ takiej flotylli kosztowa-
∏oby setki miliardów dolarów. Od tego czasu planiÊci poszu-
kujà oszcz´dnoÊci, proponujàc u˝ycie sprawniejszych silni-
ków jàdrowych lub elektromagnetycznych, zmniejszenie liczby
cz∏onków za∏ogi lub dublowanych systemów, a tak˝e produk-
cj´ paliwa na samym Marsie [wykres z prawej].
Wed∏ug najoszcz´dniejszego dzisiaj planu Mars Direct (Bez-
poÊrednio na Marsa) poczàtkowy koszt wyniós∏by 20 mld do-
larów – roz∏o˝one na 10 lat plus 2 mld na ka˝dy lot [patrz:
„Najtaƒszy: lot bezpoÊredni”, strona 36]. Opracowany przez
NASA tzw. projekt wzorcowej misji odniesienia (design refe-
rence mission) w du˝ej mierze wzorowany jest na planie Mars
Direct, jednak koszty jego realizacji sà w przybli˝eniu dwu-
krotnie wy˝sze z powodu zwi´kszonych Êrodków bezpieczeƒ-
stwa i za∏ogi liczàcej szeÊciu zamiast czterech astronautów.
W najnowszej wersji planu NASA przewiduje si´ u˝ycie
trzech pojazdów: bezza∏ogowego làdownika towarowego, któ-
ry dostarczy na powierzchni´ Marsa statek powrotny i urzà-
dzenia do produkcji paliwa, làdownika mieszkalnego bez za∏o-
28 Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000
Dziennikarze Scientific
American
George Musser
i
Mark Alpert
przedstawiajà projekty wyprawy za∏ogowej
JAK DOTRZEå
NA MARSA
W
e wszystkich propozycjach wypra-
wy za∏ogowej na Marsa pierwszà i
zarazem najwa˝niejszà rzeczà jest wys∏a-
nie statku na niskà orbit´ wokó∏ Ziemi
(200–500 km nad powierzchnià). Zasadni-
czy problem polega na tym, ˝e ka˝dy sta-
tek za∏ogowy wykorzystujàcy obecnà tech-
nik´ nap´du potrzebowa∏by ogromne-
go zapasu paliwa na po-
dró˝ do Marsa i w efek-
cie mia∏by ogromnà ma-
s´: co najmniej 130 t, a
prawdopodobnie dwu-
krotnie wi´cej. To za du-
˝o dla obecnych rakiet.
Dzisiejsze wahad∏owce
i rakiety o du˝ym udê-
wigu, jak Tytan 4B mo-
gà wynieÊç najwy˝ej 25 t
∏adunku. Ponadto przy
obecnych kosztach transportu na orbit´
(20 mln dolarów za ton´) wys∏anie marsjaƒ-
skiego statku by∏oby zbyt kosztowne.
Przedsi´biorstwa lotniczo-kosmiczne pra-
cujà nad projektami efektywniejszych ra-
kiet, na przyk∏ad Delty 4, i pojazdów no-
Ênych wielokrotnego u˝ytku, jak Venture-
Star. A jednak ˝adna z tych maszyn nie zdo-
∏a udêwignàç 130-tonowego ∏adunku. Sa-
turn 5 z czasów programu Apollo wyko-
na∏by to zadanie, podobnie jak Energia, zbu-
dowana w by∏ym Zwiàzku Radzieckim.
Wznowienie produkcji obu tych rakiet jest
jednak nieekonomiczne. A zatem statek
marsjaƒski najprawdopodobniej b´dzie wy-
s∏any w cz´Êciach i z∏o˝ony na orbicie za
pomocà automatycznego dokowania pod
kontrolà z Ziemi. Monta˝ statku na Mi´-
dzynarodowej Stacji Kosmicznej by∏by nie-
efektywny, gdy˝ jej orbita ma nachyle-
nie 51.6° (pierwotnie 28.5°,
zmienione nast´pnie, tak by
START I MONTA˚
W
RAKIETY WSPOMAGAJÑCE
NA PALIWO STA¸E
SILNIKI
RD-120
¸ÑCZNIK
PRZESTRZE¡
¸ADUNKOWA
SILNIK GÓRNEGO
STOPNIA
OS¸ONA PRZESTRZENI
¸ADUNKOWEJ
ZBIORNIK
CIEK¸EGO WODORU
ZBIORNIK
CIEK¸EGO TLENU
RAKIETA MAGNUM po-
zwoli stosunkowo niedrogo
wys∏aç na Marsa pojazd z
pierwszymi astronautami.
U˝ywajàc tych samych co
wahad∏owiec wyrzutni i ra-
kiet wspomagajàcych na pa-
liwo sta∏e, Magnum mog∏a-
by wynieÊç 80 t ∏adunku na
orbit´ wokó∏ziemskà.
SARAH L. DONELSON
von Braun (1952)
Stuhlinger i in. (1966)
Boeing (1968)
von Braun (1969)
Jenkins (1971)
90-dniowe studium NASA (1989)
Radziecki plan, nap´d s∏oneczny (1989)
Mars Direct, nap´d chemiczny (1990)
Mars Direct, nap´d jàdrowy (1990)
Misja wzorcowa NASA, wersja 1 (1993)
Misja wzorcowa NASA, wersja 4 (1999)
Nap´d VASIMR (2000)
0 1000 2000 3000
Masa na niskiej orbicie wokó∏ Ziemi (tony)
355
280
280
645
437
388
3
2788
1670
1455
1771
980
Podzia∏ nie podany
Paliwo na dotarcie do Marsa
Masa netto po wylàdowaniu
na Marsie
MASY pojazdów w misjach marsjaƒskich przed startem z orbity wo-
kó∏ziemskiej – wyznacznik kosztów wyprawy – powoli si´ zmniej-
szajà. Ka˝de oszacowanie obejmuje przewóz ∏adunku i jednej za∏ogi.
EDWARD BELL
gi, który wejdzie na orbit´ wokó∏ Marsa, oraz za∏ogowego stat-
ku podró˝nego (CTV – crew transfer vehicle). Je˝eli dwa pierw-
sze pomyÊlnie dotrà do celu, to CTV wyruszy 26 miesi´cy po
starcie obu làdowników – w nast´pnym oknie startowym, gdy
obie planety ponownie zbli˝à si´ do siebie. CTV wyniesie astro-
nautów w rejon Marsa i po∏àczy si´ z làdownikiem mieszkal-
nym. Ludzie przesiàdà si´ do niego, wylàdujà na powierzchni
planety i sp´dzà tam 500 dni. Nast´pnie wystartujà w statku
powrotnym, a CTV oczekujàcy na orbicie zabierze ich na Zie-
mi´. Co 26 miesi´cy b´dà wyruszaç kolejno po trzy pojazdy a˝
do utworzenia infrastruktury sta∏ej bazy.
Szacunkowe koszty misji realizowanych wed∏ug tych pla-
nów b´dà ni˝sze ni˝ Mi´dzynarodowej Stacji Kosmicznej czy
programu Apollo. Wydatki NASA cz´sto przekraczajà ustalo-
ne kosztorysy. Dlatego wielu entuzjastów eksploracji Marsa
z takich organizacji, jak Mars Society (Towarzystwo Marsjaƒskie)
i National Space Society (Narodowe Towarzystwo Kosmiczne)
poszukuje nowych sposobów zorganizowania wyprawy.
Najlepiej opracowany projekt ThinkMars (MyÊl Marsjaƒska)
przedstawi∏a grupa studentów z Massachusetts Institute of Tech-
nology i Harvard Business School. Proponujà oni utworzenie
dochodowej korporacji do zarzàdzania projektem misji mar-
sjaƒskiej – zawiera∏aby ona kontrakty na wykonanie poszcze-
gólnych zadaƒ z prywatnymi przedsi´biorstwami i oÊrodkami
badawczymi NASA. Rzàd Stanów Zjednoczonych i rzàdy in-
nych paƒstw kupowa∏yby miejsca za∏ogowe lub ∏adunkowe na
statku marsjaƒskim po obni˝onej cenie. Pozosta∏e potrzebne fun-
dusze uzyskiwano by ze sprzeda˝y akcji promocyjnych, praw do
relacji medialnych i licencji na rozwiàzania technologiczne.
Badacze wykazali, ˝e wyprawa za∏ogowa jest technicznie
wykonalna. Teraz entuzjaÊci muszà wygraç z podatnikami, po-
litykami i szefami biznesu, którym przyjdzie p∏aciç rachunki.
Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000 29
odpowiada∏o po∏o˝eniu rosyjskiego kosmo-
dromu Bajkonur – przyp. t∏um.), tymcza-
sem startujàc z kosmodromu na przylàdku
Canaveral na Florydzie ∏atwiej jest wynieÊç
∏adunek na orbit´ o nachyleniu 28.5°. Wa-
had∏owiec dostarczy za∏og´ na statek mar-
sjaƒski, gdy tylko zostanie on ukoƒczony.
Aby uproÊciç monta˝, nale˝y
zminimalizowaç liczb´ startów
i po∏àczeƒ na orbicie. In˝ynierowie
z NASA Marshall Space Flight
Center w Huntsville w Alabamie
zaprojektowali rakiet´ o nazwie Magnum,
która mo˝e wynosiç oko∏o 80 t na orbit´.
Umo˝liwi ona zbudowanie 130-tonowego
statku marsjaƒskiego po zaledwie dwóch
startach. Magnum jest przystosowana do
tych samych wyrzutni i rakiet wspomagajà-
cych na paliwo sta∏e co obecne wahad∏ow-
ce. Rakiety wspomagajàce taki prom b´dà
do∏àczane do nowej dwustopniowej rakiety
nap´dzanej trzema silnikami rosyjskiej kon-
strukcji RD-120. Magnum mo˝e wynieÊç ∏a-
dunek o d∏ugoÊci 28 m, a pokrywa jej górne-
go stopnia pos∏u˝y jako os∏ona termiczna
statku marsjaƒskiego.
Poniewa˝ Magnum wykorzysta istnie-
jàce rakiety wspomagajàce i wyrzutnie,
poniesione koszty b´dà stosunkowo nie-
du˝e: oko∏o 2 mld dolarów na skonstru-
owanie rakiety i 2 mln za ton´ ∏adunku
przy ka˝dym starcie, czyli 10-krotnie
mniej ni˝ w przypadku wahad∏owca.
Mo˝na te˝ zbudowaç z podzespo∏ów wa-
had∏owca jeszcze pot´˝niejszà rakiet´ we-
d∏ug projektu in˝yniera Roberta Zubri-
na. W tej rakiecie o nazwie Ares pra-
cowa∏by bardziej wydajny silnik trzecie-
go stopnia, który pozwoli∏by wys∏aç sta-
tek za∏ogowy bezpoÊrednio na trajektori´
ku Marsowi.
WSPÓ¸CZESNE ÂRODKI wyno-
szenia sà niewystarczajàce dla
za∏ogowej wyprawy na Marsa.
Wys∏anie 130-tonowego statku
marsjaƒskiego na orbit´ wokó∏
Ziemi wymaga∏oby szeÊciu star-
tów Tytana 4B, wahad∏owca, ra-
kiety Delta 4 Heavy lub pojazdu
VentureStar – ale tylko dwóch
startów Magnum.
Tytan 4B
Wahad∏owiec
0 20 40 60 80 100
80
Udêwig na niskà orbit´
(tony)
Delta 4 Heavy
VentureStar
Magnum
OBECNE ÂRODKI WYNOSZENIA
PROPONOWANE ÂRODKI WYNOSZENIA
22
23
25
23
SARAH L. DONELSON
ALFRED T. KAMAJIAN
MISJA WZORCOWA NASA
1
Startujà dwa bezza∏ogowe
statki, sà montowane
na orbicie i wys∏ane
na Marsa.
2.
Za∏ogowy statek
CTV startuje
26 miesi´cy
po statkach
bezza∏ogowych.
Podró˝ trwa
6 miesi´cy.
4.
Po 500 dniach astronauci startujà
w statku powrotnym i ∏àczà si´
z czekajàcym na nich CTV.
5.
CTV powraca na Ziemi´
w ciàgu szeÊciu miesi´cy.
Astronauci przesiadajà si´
do kapsu∏y powrotnej i wodujà.
3.
Po dotarciu na orbit´ wokó∏ Marsa
astronauci przechodzà do krà˝àcego
tam ju˝ làdownika mieszkalnego.
Opuszczajà si´ w nim na powierzchni´
w sàsiedztwie làdownika towarowego.
ZA¸OGOWY
STATEK
PODRÓ˚NY (CTV)
ZA¸OGOWY
STATEK
PODRÓ˚NY (CTV)
ZA¸OGOWY
STATEK
PODRÓ˚NY (CTV)
LÑDOWNIK TOWAROWY
KAPSU¸A
POWROTNA
LÑDOWNIK ZA¸OGOWY
LÑDOWNIK
ZA¸OGOWY
STATEK POWROTNY
J
aki nap´d powinien mieç statek za∏ogowy, który
poleci z orbity oko∏oziemskiej na Marsa? Projek-
tanci rozwa˝ajà kilka rozwiàzaƒ – ka˝de ma swoje
zalety i wady. Zasadniczà kwestià jest wymiennoÊç
si∏y ciàgu rakiety i sprawnoÊci paliwowej. Systemy
o du˝ym ciàgu sà niczym zajàce – przyspieszajà
szybciej, ale zu˝ywajà wi´cej paliwa. Systemy o ma-
∏ym ciàgu to ˝ó∏wie – d∏u˝ej si´ rozp´dzajà, ale
oszcz´dzajà paliwo. Oba mogà znaleêç zastosowa-
nie w ró˝nych fazach tej samej misji. Rakiety o du-
˝ym ciàgu pozwalajà szybko przetransportowaç lu-
dzi, podczas gdy pojazdy o ma∏ym ciàgu sà
przydatne do wolnego przewo˝enia ∏adunków lub
statków bez za∏ogi.
30 Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000
SYSTEM NAP¢DOWY
PALIWO
PRÑD ELEKTRYCZNY
POLE MAGNETYCZNE
TLEN
LEGENDA
DO ILUSTRACJI
SILNIKI CHEMICZNE
Niemal wszystkie wystrzelone dotàd pojazdy kosmiczne mia∏y rakietowe silniki chemiczne, któ-
re zwykle spalajà wodór w tlenie, wykorzystujàc rozpr´˝ajàce si´ gazy spalinowe do wytworze-
nia ciàgu (nadal jeszcze stosuje si´ znacznie ∏atwiejsze do przechowywania, choç mniej wydaj-
ne paliwa w´glowodorowe, np. naft´, dwumetylohydrazyn´ itp. – przyp. t∏um.). Ta sprawdzona
technologia gwarantuje najwi´kszy ciàg, ale
jest ma∏o wydajna. Rakieta z silnikami chemicznymi potrzebowa∏aby olbrzymich ilo-
Êci paliwa, aby wynieÊç za∏ogowy statek na Marsa. Jeden z projektów zak∏ada wy-
korzystanie 233-tonowego statku, który mia∏by rozpoczàç podró˝ ze 166 t ciek∏ego
wodoru i tlenu. W trzech stopniach rakiety zastosowano by siedem silników RL-10 (wy-
s∏u˝ony model u˝ywany w wielu amerykaƒskich rakietach). Pierwszy stopieƒ wpro-
wadzi∏by statek na silnie wyd∏u˝onà orbit´ eliptycznà wokó∏ Ziemi, drugi umieÊci∏by
go na trajektorii ku Marsowi, a trzeci umo˝liwi∏by powrót na Ziemi´ po zakoƒczeniu
misji. Ka˝dy stopieƒ dzia∏a∏by kilka minut, po czym by∏by odrzucany.
Ciàg: 110 000 N
Pr´dkoÊç wyrzutu spalin: 4.5 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 21 min
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 55%
TERMICZNE SILNIKI JÑDROWE
Rakiety o termicznym nap´dzie jàdrowym (NTR – Nuclear Thermal Rocket) zbudo-
wano i poddano testom naziemnym w latach szeÊçdziesiàtych w ramach programu
Rover/NERVA finansowanego przez rzàd Stanów Zjednoczonych. Wytwarzajà one ciàg
dzi´ki przep∏ywowi ciek∏ego wodoru przez reaktor jàdrowy na paliwo sta∏e; wodór
podgrzany do temperatury powy˝ej 2500°C wyp∏ywa z wielkà pr´dkoÊcià przez dy-
sz´ rakiety. Nap´d jàdrowy pozwala uzyskaç dwukrotnie wi´kszy p´d z kilograma
paliwa ni˝ najlepsze silniki chemiczne, a reaktor mo˝e byç wykorzystany równie˝ do
produkcji energii elektrycznej na statku kosmicznym. 170-tonowy statek za∏ogowy
z trzema termicznymi silnikami jàdrowymi i za-
pasem oko∏o 90 t ciek∏ego wodoru móg∏by dotrzeç na Marsa w ciàgu 6–7 miesi´cy. Najwi´kszà
przeszkod´ stanowi jednak sprzeciw opinii publicznej wobec umieszczania reaktorów jàdrowych
w kosmosie – dotyczy to równie˝ wielu innych systemów nap´dowych. NASA nie finansowa∏a ba-
daƒ nad reaktorami do pojazdów kosmicznych przez blisko 10 lat.
CHRISTOPH BLUMRICH
CHRISTOPH BLUMRICH
Ciàg: 67 000 N
Pr´dkoÊç wyrzutu: 9 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 27 min
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 32%
PR¢T PALIWOWY REAKTORA
SILNIKI JONOWE
Zaproponowany po raz pierwszy w latach pi´çdziesiàtych nap´d jonowy stanowi jednà z wie-
lu technologii wykorzystujàcych pole elektryczne zamiast ciep∏a do odrzucenia czynnika robo-
czego. Paliwo w postaci gazowej, na przyk∏ad pary cezu, lub ksenon, dostaje si´ do komory,
gdzie jest jonizowane przez dzia∏o elektronowe podobne do tych w kineskopach telewizyjnych.
Napi´cie przy∏o˝one do pary metalowych siatek (ujemne potencja∏y na ka˝dej z nich) oddzie-
la dodatnio na∏adowane jony, które zostajà przyspieszone i wystrzelone przez
siatk´ na zewnàtrz silnika. RównoczeÊnie katoda w tylnej cz´Êci silnika wprowa-
dza elektrony do wiàzki jonów – pojazd nie gromadzi wi´c ujemnego ∏adunku. Po-
nad rok temu sonda Deep Space 1 rozpocz´∏a pierwszy mi´dzyplanetarny test
takiego silnika. Zu˝ywa on 2.5 kW energii s∏onecznej i wytwarza ma∏y, lecz sta∏y
ciàg 0.1 N. Niestety, siatki przyspieszajàce czàstki, ale równoczeÊnie stajàce im
na drodze, nie pozwalajà osiàgnàç mocy rz´du megawatów, potrzebnej do reali-
zacji marsjaƒskich wypraw za∏ogowych. Ponadto wielki silnik musia∏by czerpaç
energi´ z reaktorów jàdrowych – baterie s∏oneczne o mocy ponad 100 kW sà zbyt
du˝e dla statku kosmicznego.
Ciàg: 30 N
Pr´dkoÊç wyrzutu: 30 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 79 dni
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 22%
SILNIKI MAGNETOHYDRODYNAMICZNE
Silniki MHD przyspieszajà na∏adowane czàstki za pomocà pola magnetycznego, a nie elek-
trycznego. Urzàdzenie ma kszta∏t tunelu – uformowanego przez zewn´trznà powierzchni´
sto˝kowà anody oraz osiowy pr´t katody. Napi´cie pomi´dzy dwiema elektrodami jonizuje
czynnik roboczy, powodujàc radialny przep∏yw silnego pràdu przez gaz i dalej wzd∏u˝ kato-
dy. Pràd p∏ynàcy katodà generuje ko∏owe pole magnetyczne, które oddzia∏uje z radialnym
pràdem w gazie, przyspieszajàc czàstki w kierunku prostopad∏ym do obu kierunków – czy-
li osiowo. Czynnikiem roboczym mo˝e byç (wed∏ug rosnàcej efektywnoÊci): argon, lit lub
wodór. Po dziesi´cioleciach zmiennego zaintereso-
wania NASA wznowi∏a w ubieg∏ym roku prace nad
silnikami MHD. W wyniku prób dokonanych w Prin-
ceton University oraz w instytutach badawczych w Rosji, Niemczech i Japonii zbudowano pro-
totyp silnika o mocy 1 MW, w którym zastosowano 2-milisekundowe impulsy pràdu.
Ciàg: 100 N
Pr´dkoÊç wyrzutu: 20–100 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 21–25 dni
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 6.7–31%
PALIWO
TLEN
WYRZUT
GAZÓW
KOMORA SPALANIA
WODÓR
ELEKTRON
SIATKI
KATODA
KATODA
ANODA
JON
CHRISTPH BLUMRICH; èRÓD¸O: JAMES S. SOVEY NASA Glenn Research Center
CHRISTPH BLUMRICH; èRÓD¸O:
MICHAEL L
A
POINTE
NASA
Glenn Research Center
Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000 31
SILNIKI HALLA
Podobnie jak przy nap´dzie jonowym, silnik oparty na efekcie Halla wykorzystu-
je pole elektryczne do wyrzucenia dodatnio na∏adowanych czàstek (najcz´Êciej jo-
nów ksenonu). Ró˝nica polega na sposobie wytwarzania pola. PierÊcieƒ magne-
sów wytwarza radialne pole magnetyczne, które zmusza elektrony do krà˝enia
wewnàtrz pierÊcienia. Ruch elektronów wzbudza z kolei osiowe pole elektryczne
przyspieszajàce jony. Zaletà tego systemu jest brak siatek – jego powi´kszanie
b´dzie ∏atwiejsze ni˝ w przypadku silnika jonowego. SprawnoÊç jest mniejsza,
ale mo˝na jà zwi´kszyç przez dodanie drugiego stopnia. Silniki, w których wy-
korzystano efekt Halla, by∏y stosowane w ro-
syjskich satelitach od poczàtku lat siedem-
dziesiàtych, a ostatnio technologia ta po-
wraca do ∏ask w Stanach Zjednoczonych. Najnowsza wersja silnika, efekt wspó∏pracy rosyjsko-
-amerykaƒskiej, zu˝ywa oko∏o 5 kW i wytwarza ciàg 0.2 N.
Ciàg: 30 N
Pr´dkoÊç wyrzutu: 15 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 90 dni
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 38%
CHRISTOPH BLUMRICH; èRÓD¸O:
JAMES S. SOVEY
NASA
Glenn Research Center
SILNIKI INDUKCYJNE
Silniki tego typu to kolejna technologia ponownie rozpatrywana przez
NASA. Urzàdzenie dzia∏a na zasadzie sekwencji gwa∏townie zmienia-
jàcych si´ wydarzeƒ, które podobnie jak w silniku MHD wytwarzajà prosto-
pad∏e pola elektryczne i magnetyczne. Proces ten rozpoczyna si´, gdy
dysza wyrzuca strumieƒ gazu (zwykle argonu), który rozpr´˝a si´ na
powierzchni p∏askiej cewki elektrycznej o Êrednicy oko∏o 1 m. Nast´p-
nie bateria kondensatorów wy∏adowuje si´, wytwarzajàc impuls pràdu
w cewce trwajàcy oko∏o 10
ms. Radialne pole magnetyczne generowa-
ne przez impuls indukuje ko∏owe pole elektryczne w gazie, jonizujàc go i
zmuszajàc czàstki do ruchu obrotowego w kierunku przeciwnym do
wymuszonego przez impuls pràdu.
Poniewa˝ ich ruch jest prostopad∏y do pola magnetycznego, zostajà one wypchni´te na ze-
wnàtrz. W odró˝nieniu od innych silników elektromagnetycznych silnik indukcyjny nie potrze-
buje elektrod, które po prostu zu˝ywajà si´, a jego moc mo˝e byç podnoszona dzi´ki proste-
mu zwi´kszaniu cz´stoÊci impulsów. W systemie o mocy 1 MW impulsy powinny nast´powaç
200 razy na sekund´.
Ciàg: 20 N
Pr´dkoÊç wyrzutu: 50 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 110 dni
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 14%
SILNIK VASIMR
Silnik plazmowy o zmiennym impulsie w∏aÊciwym (VASIMR
– Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) stano-
wi pomost mi´dzy systemami o du˝ym i ma∏ym ciàgu. Pali-
wo tego silnika – g∏ównie wodór – najpierw zostaje zjonizowa-
ne za pomocà fal radiowych, a nast´pnie w´druje do centralnej
komory, którà przenika pole magnetyczne. Tu czàstki zaczy-
najà wirowaç wokó∏ linii si∏ pola magnetycznego z pewnà na-
turalnà cz´stoÊcià. Bombardujàc czàstki falami radiowymi o tej samej cz´stoÊci, silnik podgrzewa je do temperatury 10 mln stopni. Dy-
sza magnetyczna przekszta∏ca ruch wirowy w osiowy i wytwarza ciàg. Regulujàc tryb nagrzewania i magnetyczny d∏awik, pilot mo˝e
kontrolowaç wielkoÊç odrzutu – mechanizm dzia∏a analogicznie do samochodowej skrzyni biegów. Przymykajàc d∏awik, uzyskujemy
wysoki bieg: redukuje on liczb´ wylatujàcych czàstek (a wi´c ciàg), ale utrzy-
muje ich wysokà temperatur´ (a wi´c pr´dkoÊç wylotu). Otwarcie d∏awika od-
powiada niskiemu biegowi: wysoki ciàg, ale niska wydajnoÊç. W pojeêdzie
kosmicznym b´dzie si´ u˝ywaç niskiego biegu i dopalaczy, aby oderwaç si´
od orbity wokó∏ziemskiej, po czym wysokiego biegu do podró˝y mi´dzyplane-
tarnej. NASA zamierza przetestowaç w kosmosie silnik o mocy 10 kW w ro-
ku 2004, jednak wyprawa marsjaƒska wymaga 10 MW.
Niski bieg
Wysoki bieg
Ciàg:
1200 N
40 N
Pr´dkoÊç wyrzutu:
10 km/s
300 km/s
Przyk∏adowy czas dzia∏ania:
2.1 dnia
53 dni
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa: 46%
2.4%
˚AGLOWCE S¸ONECZNE
W s∏onecznych ˝aglowcach – pojazdach niczym z literatury fanta-
stycznonaukowej – wymiennoÊç mi´dzy ciàgiem a sprawnoÊcià do-
prowadzona jest do maksimum. Popychane sà delikatnym ciÊnie-
niem Êwiat∏a s∏onecznego, s∏abym lecz darmowym. ˚agiel powinien
mieç co najmniej 4 km
2
powierzchni, aby przewieêç 25 t z orbity
oko∏oziemskiej na Marsa w ciàgu roku. Musi byç wykonany z ma-
teria∏u o g´stoÊci powierzchniowej nie przekraczajàcej 1 g/m
2
(dzi-
siejsze w∏ókna w´glowe sà prawie tak cienkie). Nast´pnym wyzwa-
niem b´dzie rozwini´cie tak wielkiej i jednoczeÊnie delikatnej
struktury. W roku 1993 rosyjskie konsorcjum Regatta dokona∏o roz-
wini´cia w kosmosie zwierciad∏a Znamia o powierzchni 300 m
2
, jed-
nak podczas drugiej próby w ubieg∏ym roku zwierciad∏o splàta∏o
si´. NASA niedawno podj´∏a si´ finansowania analogicznego pro-
jektu ˝agla magnetycznego,
wykorzystujàcego wiatr s∏o-
neczny (na∏adowane czàstki
p∏ynàce ze S∏oƒca) zamiast
Êwiat∏a s∏onecznego.
Ciàg: 9 N/km
2
(w odleg∏oÊci Ziemi
od S∏oƒca)
Pr´dkoÊç wyrzutu: nie dotyczy
Przyk∏adowy czas dzia∏ania: 58 dni
Ciàg:
si∏a, którà silnik rakietowy danego typu wytwarza
w czasie lotu, wyra˝ona w newtonach (N).
Pr´dkoÊç wyrzutu:
pr´dkoÊç, z jakà czynnik roboczy
opuszcza silnik, miara wydajnoÊci paliwa.
Przyk∏adowy czas dzia∏ania:
czas, przez który silnik mu-
si pracowaç, by nadaç pr´dkoÊç ucieczki ∏adunkowi o ma-
sie 25 t umieszczonemu na orbicie wokó∏ Ziemi. Jest on
odwrotnie proporcjonalny do ciàgu.
Przyk∏adowy udzia∏ masy paliwa:
cz´Êç ca∏kowitej ma-
sy statku, jaka przypada na paliwo (w powy˝szym scena-
riuszu). IloÊç paliwa zale˝y wyk∏adniczo od pr´dkoÊci
wyrzutu.
S¸OWNIK TERMINÓW RAKIETOWYCH
MAGNES PIERÂCIENIOWY
RDZE¡ MAGNETYCZNY
CHRISTOPH BLUMRICH; èRÓD¸O: ROBERT VONDRA
TRW
,
RALPH H. LOVBERG
University of California, San Diego
iC. LEE DAILEY
CHRISTOPH BLUMRICH; èRÓD¸O:
FRANKLIN CHANG-DIAZ
NASA Johnson Space Center
KONDENSATOR
CEWKA
DYSZA
CENTRALNA KOMORA GRZEWCZA
MAGNES
ANTENA RADIOWA
D¸AWIK
ETAP 1
ETAP 2
TRAJEKTORIE KONIUNKCYJNE
D
la rakiet o du˝ym ciàgu najekonomiczniejszym sposobem do-
tarcia na Marsa jest tzw. orbita przejÊciowa Hohmanna. Jest ona
elipsà stycznà do orbity Ziemi i do orbity Marsa, co pozwala mak-
symalnie wykorzystaç ruchy orbitalne planet. Statek kosmiczny wy-
ruszy, gdy Mars wyprzedzi Ziemi´ o kàt oko∏o 45° (pozycja ta po-
wtarza si´ co 26 miesi´cy). Nast´pnie podà˝y lotem
beznap´dowym, a˝ dogoni Marsa i zostanie przez nie-
go przechwycony dok∏adnie po przeciwnej stronie
S∏oƒca w stosunku do wyjÊciowej pozycji Ziemi.
Takà konfiguracj´ planet astronomowie nazy-
wajà koniunkcjà. Aby powróciç na Ziemi´
astronauci b´dà oczekiwaç, a˝ Mars wyprze-
dzi Ziemi´ o kàt oko∏o 75°. Wystartujà wów-
czas po ∏uku wewn´trznym i pozwolà Ziemi
dogoniç i przechwyciç ich statek.
Ka˝dy etap wymaga dwukrotnego w∏àczenia
silników do zmiany przyspieszenia. Startujàc
z powierzchni Ziemi i uzyskujàc pr´dkoÊç oko∏o
11.5 km/s, statek uwolni si´ od przyciàgania Ziemi
i osiàgnie orbit´ przejÊciowà. Inne rozwiàzanie to start
z niskiej orbity wokó∏ Ziemi, na której statek ma ju˝ du˝à pr´dkoÊç
– silniki muszà jà wówczas zwi´kszyç o mniej wi´cej 3.5 km/s. (Przy
starcie z orbity ksi´˝ycowej przyrost móg∏by byç jeszcze mniejszy,
dlatego Ksi´˝yc uwzgl´dniano we wczeÊniejszych planach misji mar-
sjaƒskich. W nowszych wersjach pomija si´ go jako niekonieczne
i drogie rozwiàzanie.) Po osiàgni´ciu rejonu Marsa silniki hamujà-
ce statku lub hamowanie atmosferyczne (tzw. aerobraking) mu-
szà doprowadziç do zmniejszenia jego pr´dkoÊci o mniej wi´cej
2 km/s, aby wszed∏ na orbit´, lub o 5.5 km/s, by wylàdowa∏.
Etap powrotny to odwrócenie powy˝szej sekwencji.
Ca∏a podró˝ zajmie przeci´tnie nieco ponad 2.5
roku: 260 dni na ka˝dy etap i 460 dni na Marsie.
W praktyce z powodu eliptycznoÊci i nachy-
lenia wzajemnego orbit planetarnych opty-
malna trajektoria mo˝e byç nieco krótsza lub
nieco d∏u˝sza. W g∏ównych projektach, jak
Mars Direct czy wzorcowa misja NASA, fa-
woryzuje si´ trajektorie koniunkcyjne. Za-
k∏ada si´ jednak skrócenie lotu przez spale-
nie niewielkiej iloÊci dodatkowego paliwa.
Staranne zaplanowanie trasy mo˝e zapew-
niç statkowi naturalny powrót na Ziemi´ w ra-
zie awarii silników. (To strategia podobna do
zastosowanej w locie Apollo 13).
32 Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000
JAKÑ TRAS¢ WYBRAå?
PRZYLOT
NA ZIEMI¢
ODLOT
Z ZIEMI
ODLOT Z MARSA
PRZYLOT
NA MARSA
TRAJEKTORIE OPOZYCYJNE
N
aukowcy z NASA w planach misji tradycyjnie uwzgl´dniajà trajektorie opozy-
cyjne, poniewa˝ umo˝liwiajà one skrócenie podró˝y. Sà bowiem okresy, kiedy
Ziemia maksymalnie zbli˝a si´ do Marsa, co astronomowie okreÊlajà jako opozycj´.
Plan wykorzystania tych trajektorii przewiduje dodatkowe w∏àczenie silników na
trasie, by zwi´kszyç pr´dkoÊç statku. Typowa podró˝ zajmie 1.5 roku: 220 dni w dro-
dze na Marsa, 30 dni na planecie i 290 dni na powrót. Trajektoria powrotna odchyla
si´ ku S∏oƒcu, statek b´dzie mia∏ mo˝liwoÊç manewru grawitacyjnego w pobli˝u We-
nus, po czym dogoni Ziemi´. KolejnoÊç etapów mo˝e byç zamieniona – wtedy dolot
b´dzie d∏u˝szy ni˝ powrót. Mimo ˝e trajektorie tego typu od dawna ju˝ nie by∏y bra-
ne pod uwag´ – d∏ugi czas lotu przy krótkim pobycie na Marsie – mogà okazaç si´
u˝yteczne w przypadku pot´˝nych rakiet jàdrowych lub misji cyklicznych, które za-
k∏adajà wahad∏owy ruch statków pomi´dzy planetami bez zatrzymywania.
PRZYLOT
NA ZIEMI¢
ODLOT
Z ZIEMI
PRZYLOT
NA MARSA
ODLOT
Z MARSA
TRAJEKTORIE MA¸EGO CIÑGU
R
akiety o ma∏ym ciàgu na przyk∏ad z silnikami jonowymi zu˝y-
wajà niewiele paliwa, sà jednak zbyt s∏abe, by wyrwaç statek
z pola ziemskiej grawitacji od razu. Muszà stopniowo poszerzaç
orbit´, oddalajàc si´ od planety po spirali niczym samochód zje˝-
d˝ajàcy serpentynami z góry. Osiàgni´cie pr´dkoÊci ucieczki mo-
˝e zajàç rok – za∏oga nie powinna byç przez tak d∏ugi czas nara˝o-
na na promieniowanie z otaczajàcych Ziemi´ pasów radiacyjnych
van Allena. Ale transportowi towarów
to nie przeszkadza; ludzi zaÊ mo˝na do-
wieêç „kosmicznà taksówkà” (rodzajem
wahad∏owca) do pustego statku, gdy ten
b´dzie ju˝ blisko punktu ucieczki. Kiedy
ju˝ do niego wsiàdà, odpalà dodatkowy
silnik, by odlecieç na Marsa. Mo˝e to byç
silnik zarówno o du˝ym, jaki i ma∏ym
ciàgu. Jedna z analiz drugiej wersji za-
k∏ada prac´ silnika indukcyjnego przez
40 dni, nast´pnie 85-dniowy lot beznap´-
dowy i kolejne 20 dni dzia∏ania silnika
w rejonie Marsa.
Silnik VASIMR daje jeszcze inne mo˝-
liwoÊci. Pracujàc na niskim biegu (umiar-
kowany ciàg i niska wydajnoÊç), przez
30 dni rozp´dza∏by pojazd, który odda-
la∏by si´ od Ziemi po spirali. Paliwo zgromadzone w zbiornikach
os∏oni astronautów przed promieniowaniem. Przelot mi´dzypla-
netarny zajmie kolejne 85 dni. Pierwszy etap trasy statek odb´-
dzie na wysokim biegu, w po∏owie zostanie w∏àczony bieg niski
i wtedy rozpocznie si´ hamowanie. Po dotarciu w rejon Marsa
cz´Êç statku oddzieli si´ i wylàduje, podczas gdy reszta zawiera-
jàca modu∏ do podró˝y powrotnej minie planet´ i kontynuujàc ha-
mowanie, osiàgnie orbit´ wokó∏ Marsa 131 dni póêniej.
Odleg∏oÊç (promienie Ziemi)
0
25
50
50
25
75
100
ODLOT
Z ZIEMI
30-DNIOWA ORBITA SPIRALNA
PRZYBYCIE
NA MARSA
(OBLOT)
WEJÂCIE
NA ORBIT¢
WOKÓ¸
MARSA
ILUSTRACJE: EDWARD BELL
P
odczas podró˝y na Marsa najwa˝niej-
sze dla bezpieczeƒstwa za∏ogi b´dà sys-
temy podtrzymywania ˝ycia. Naukowcy z
NASA Johnson Space Center w Houston
rozpocz´li ju˝ prace nad zwi´kszeniem
efektywnoÊci i niezawodnoÊci obecnych sys-
temów. Grupy wolontariuszy sp´dza∏y po
trzy miesiàce w zamkni´tych pomieszcze-
niach przeznaczonych do testowania no-
wych technologii odzyskiwania powietrza
i wody. Jako uzupe∏nienie metod fizycz-
nych i chemicznych eksperymenty przewi-
dywa∏y demonstracj´ regeneracji biologicz-
nej, na przyk∏ad przetwarzania sta∏ych
odchodów ludzkich w nawóz do uprawy
pszenicy, która dostarcza∏a wolontariuszom
tlenu i z której piekli Êwie˝y chleb.
Naukowcy zastanawiajà si´ tak˝e, jak
zminimalizowaç szkodliwe efekty d∏ugo-
trwa∏ego pobytu w niewa˝koÊci. U astro-
nautów, którzy sp´dzili kilka miesi´cy na
orbicie wokó∏ Ziemi, stwierdzono znaczne
straty masy koÊci i inne problemy zdrowot-
ne [patrz: R. J. White, „Cz∏owiek w stanie
niewa˝koÊci”; Âwiat Nauki, listopad 1998].
Jednym ze sposobów przeciwdzia∏ania atro-
fii mo˝e byç wprowadzenie statku marsjaƒ-
skiego w wolny ruch obrotowy podczas
przelotu mi´dzyplanetarnego. Niektóre pro-
jekty przewidujà u˝ycie liny lub kratowni-
cy do po∏àczenia kabiny za∏ogowej z prze-
ciwwagà, którà mo˝e stanowiç zu˝yty
stopieƒ rakiety. Jeden obrót na minut´ wo-
kó∏ 340-metrowego ramienia b´dzie symu-
lowa∏ cià˝enie 0.38 g, czyli takie, jak na po-
wierzchni Czerwonej Planety. Dwukrotne
zwi´kszenie pr´dkoÊci obrotów skróci ra-
mi´ obrotu czterokrotnie, ale jednoczeÊnie
zwi´kszy si∏´ Coriolisa, która b´dzie powo-
dowaç ko∏ysanie astronautów podczas po-
ruszania si´ wewnàtrz statku. PlaniÊci mar-
sjaƒskiej misji nie sà jednak entuzjastami
pojazdów wirujàcych w czasie lotu, ponie-
wa˝ skomplikuje to manewrowanie i utrzy-
mywanie ∏àcznoÊci. SpecjaliÊci od medycy-
ny kosmicznej rozwa˝ajà równie˝ inne
mo˝liwoÊci, na przyk∏ad zestawy çwiczeƒ
fizycznych, dobór diety i wirujàce fotele.
Kolejnym problemem jest promieniowa-
nie. Za∏oga b´dzie wystawiona na dwa jego
rodzaje: promieniowanie kosmiczne, czyli
jony o wysokiej energii, które nieustannie
przemierzajà naszà galaktyk´, oraz promie-
niowanie spowodowane rozb∏yskami s∏o-
necznymi, w czasie których ze S∏oƒca wy-
rzucane sà pot´˝ne strumienie protonów.
Promieniowanie kosmiczne ma wi´kszà
energi´ ni˝ protony emitowane ze S∏oƒca
i dlatego trudniej jest si´ przed nimi os∏oniç.
Nieos∏oni´ty astronauta w kosmosie otrzy-
ma∏by dawk´ 75 remów (0.75 Sv; jeden si-
wert to 100 remów) w ciàgu roku; wewnàtrz
statku o aluminiowych Êcianach gruboÊci
6 cm dawka b´dzie mniejsza o 20%. (Dodat-
kowe os∏ony niewiele dadzà. Nawet na po-
wierzchni Marsa astronauci b´dà otrzymy-
waç podobnà dawk´.) Lekarze twierdzà
jednak, ˝e taka roczna dawka zwi´kszy∏aby
prawdopodobieƒstwo Êmierci astronauty na
raka w ciàgu nast´pnych 30 lat zaledwie
o kilka procent. Tabletki przeciwutleniacza
mogà jeszcze zmniejszyç to ryzyko.
Promieniowanie pochodzàce ze S∏oƒca
jest groêniejsze, poniewa˝ nieprzewidy-
walny rozb∏ysk mo˝e napromieniowaç skó-
r´ dawkà 4000 remów (40 Sv), a organy
wewn´trzne dawkà 200 remów (2 Sv) ze
skutkiem Êmiertelnym. Co najmniej jedna
taka burza zdarza si´ w okresie maksimum
11-letniego cyklu aktywnoÊci s∏onecznej,
a mniejsze, choç tak˝e silne burze, wyst´pu-
jà co par´ lat. Astronautów przebywajà-
cych na niskiej orbicie wokó∏ziemskiej chro-
ni pole magnetyczne naszej planety, które
przechwytuje lub odchyla protony, lecz po-
dró˝ujàcy na Ksi´˝yc lub Marsa sà pozba-
wieni tej ochrony. Na szcz´Êcie czàstki mo˝-
na ∏atwo zatrzymaç. Najlepsze sà os∏ony
wykonane z materia∏ów bogatych w wo-
dór, takich jak polietylen lub woda: ci´˝-
sze atomy nie sà ju˝ tak efektywne, ponie-
wa˝ zderzenia protonów mogà uwalniaç
z ich jàder neutrony, wywo∏ujàc niebez-
piecznà kaskad´ promieniowania. Dzie-
si´ciocentymetrowa warstwa wody redu-
kuje dawk´ promieniowania do 20 remów
(0.2 Sv). Planuje si´ utworzenie na statku
marsjaƒskim schronu przed burzami s∏o-
necznymi i to w prosty sposób – umiesz-
czajàc zapasy wody w zbiornikach otacza-
jàcych sypialni´ za∏ogi. Satelity obserwujàce
S∏oƒce b´dà ostrzegaç astronautów o gro-
˝àcym rozb∏ysku.
Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000 33
LOT MI¢DZYPLANETARNY
NASA
POMIESZCZENIA ZA¸OGOWE na stat-
ku marsjaƒskim mogà byç podobne do
nadmuchiwanego modu∏u TransHab,
który zosta∏ opracowany dla Mi´dzyna-
rodowej Stacji Kosmicznej
(na górze z le-
wej). Modu∏ b´dzie mia∏ cztery poziomy
(powy˝ej). Dolny poziom pomieÊci kuch-
ni´ i mes´, na wy˝szych poziomach znaj-
dà si´ pomieszczenia do spania i do çwi-
czeƒ fizycznych
(z prawej).
TransHab
POZIOM 4 –
tunel ciÊnieniowy
POZIOM 3 –
pomieszczenia rekreacyjne
POZIOM 2 –
pokój techniczny i kabiny za∏ogi
POZIOM 1 –
mesa i kuchnia
POZIOM 4
POZIOM 3
POZIOM 2
POZIOM 1
L
àdowanie za∏ogowego pojazdu b´dzie
zdecydowanie bardziej skomplikowa-
ne ni˝ làdowanie statków Apollo na Ksi´˝y-
cu. Mars w odró˝nieniu od Ksi´˝yca ma at-
mosfer´, a jego pole grawitacyjne jest
dwukrotnie silniejsze od ksi´˝ycowego. Po-
nadto marsjaƒski làdownik musi mieç
znacznie wi´kszà mas´ – astronauci b´dà
w nim mieszkaç przez 500 dni.
Dotychczas jedynie trzy automatyczne
pojazdy pomyÊlnie wylàdowa∏y na Czer-
wonej Planecie: Viking 1 i Viking 2 w 1976
roku oraz Mars Pathfinder trzy lata temu.
We wszystkich zastosowano os∏ony ter-
miczne, spadochrony i silniki hamujàce do
wytracenia pr´dkoÊci opadania (w Pathfin-
derze – dodatkowo poduszki powietrzne
∏agodzàce upadek). Làdownik za∏ogowy
powtórzy t´ sekwencj´, jednak z pewnymi
modyfikacjami [ilustracja poni˝ej]. Automa-
tyczny làdownik ukryty za ˝aroodpornà
tarczà w kszta∏cie talerza pogrà˝a∏ si´
w sposób niekontrolowany w marsjaƒskiej
atmosferze (poprzedzi∏y to jednak precy-
zyjne manewry: làdowniki by∏y wprowa-
dzane do atmosfery Marsa pod ÊciÊle okre-
Êlonym kàtem, by nie ulec odbiciu od at-
mosfery lub spaleniu na skutek zbyt wiel-
kiego tarcia; kozio∏kowaniu przeciwdzia-
∏a∏o wprowadzenie ich w ruch obrotowy –
przyp. t∏um.). Jednak làdownik za∏ogowy
musi byç precyzyjnie sterowany, aby wy-
làdowaç bardzo blisko bezza∏ogowego stat-
ku towarowego wys∏anego wczeÊniej na po-
wierzchni´ Marsa.
Obecne plany NASA przewidujà skonstru-
owanie làdownika w kszta∏cie pocisku i oto-
czenie go zewn´trznà pokrywà s∏u˝àcà jako
os∏ona termiczna. Làdownik zostanie wys∏a-
ny w kierunku Marsa bez za∏ogi. Wejdzie na
orbit´ z wykorzystaniem hamowania w at-
mosferze Czerwonej Planety i b´dzie oczeki-
wa∏ na przybycie za∏ogi statkiem podró˝-
nym CTV. Gdy astronauci przedostanà si´
na pok∏ad làdownika, wejdzie on do atmos-
fery, podobnie jak wahad∏owiec – z dziobem
nieco uniesionym do góry. Przechylajàc sta-
tek kosmiczny na lewo lub prawo, pilot mo-
˝e sterowaç nim ku miejscu làdowania. Spa-
dochrony wyhamujà opadanie i kiedy zo-
stanà w∏àczone silniki hamujàce, pilot osa-
dzi statek na wyznaczonym miejscu.
Po 500-dniowym pobycie na Marsie astro-
nauci na pok∏adzie statku powrotnego wy-
startujà z powierzchni planety i spotkajà si´
na orbicie ze statkiem CTV, który zabierze
ich na Ziemi´. W pierwszej wyprawie za-
∏ogowej na Marsa statek powrotny z zatan-
kowanym paliwem zostanie do∏àczony do
làdownika mieszkalnego. Jednak w nast´p-
nych misjach statki powrotne b´dà osadza-
ne wczeÊniej i tankowane paliwem wypro-
dukowanym na Czerwonej Planecie. Insta-
lacja do produkcji paliwa o rozmiarach du-
˝ego samochodu b´dzie ∏àczyç ciek∏y wo-
dór przywieziony z Ziemi z dwutlenkiem
w´gla uzyskanym z atmosfery Marsa. W se-
rii reakcji chemicznych wytworzony zo-
stanie ciek∏y metan i ciek∏y tlen – sk∏adniki
paliwa – oraz dodatkowo woda i tlen po-
trzebne za∏odze. Technologie te zostanà
przetestowane podczas misji làdowników
automatycznych Mars Surveyor, których
starty zaplanowano na rok 2001 i 2003. Plan
misji Surveyora w roku 2003 zak∏ada prób-
ne odpalenie ma∏ego silnika rakietowego
zasilanego metanem i tlenem wyproduko-
wanymi na Marsie.
34 Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000
LÑDOWANIE I WZLOT Z POWIERZCHNI
SEKWENCJA LÑDOWANIA NA MARSIE rozpoczyna
si´ od spotkania na orbicie za∏ogowego statku CTV z là-
downikiem mieszkalnym. Po przejÊciu astronautów do
làdownika rozpoczyna si´ jego wejÊcie do atmosfery pod
ochronà os∏ony termicznej. Spadochrony i silniki rakie-
towe wyhamujà koƒcowe opadanie, umo˝liwiajàc w ten
sposób làdowanie pojazdu w pobli˝u osadzonego wcze-
Êniej làdownika towarowego.
ZA¸OGOWY
STATEK
PODRÓ˚NY
CTV
LÑDOWNIK
MIESZKALNY
WEJÂCIE
DO ATMOSFERY
STEROWANIE
W KIERUNKU MIEJSCA
LÑDOWANIA
ROZWINI¢CIE
SPADOCHRONÓW
ODRZUCENIE
OS¸ONY
TERMICZNEJ
LÑDOWNIK
MIESZKALNY
LÑDOWNIK
TOWAROWY
W¸ÑCZENIE SILNIKÓW
HAMUJÑCYCH
DON FOLEY
JAK TAM B¢DZIE?
J
u˝ z chwilà opuszczenia statku astronauci odczujà, ˝e znajdujà
si´ w obcym Êwiecie; podczas chodzenia da o sobie znaç s∏absza
grawitacja. Zrobienie kroku podobne jest do ruchu wahad∏a, a wi´c
zale˝y od si∏y grawitacji. Ludzie b´dà mieli ochot´ poruszaç si´
o oko∏o 60% szybciej ni˝ na Ziemi, spalajàc przy tym dwa razy
mniej kalorii. Pr´dkoÊç zwyk∏ego spaceru na Ziemi odpowiada
biegowi na Marsie.
W rzadkiej atmosferze – porównywalnej z ziem-
skà na wysokoÊci oko∏o 35 km – temperatura i ci-
Ênienie podlegajà du˝ym i szybkim zmianom, jed-
nak wzorce pogodowe sà generalnie wsz´dzie
takie same. Nawet wiatr wiejàcy z pr´dkoÊcià
100 km/h nie wywiera du˝ej si∏y. Wczesnym ran-
kiem astronauci zobaczà mg∏´, szron i b∏´kitne pie-
rzaste ob∏oki. Niebo zmienia kolor zale˝nie od te-
go, kiedy i gdzie si´ spoglàda. Patrzàc w kierunku
horyzontu w po∏udnie, zobaczymy czerwone nie-
bo zabarwione rozproszonym py∏em. Wschodzà-
ce i zachodzàce s∏oƒce jest b∏´kitne, a niebo kar-
melowe. OÊwietlenie oszukuje ludzkie oko.
W zale˝noÊci od proporcji bezpoÊredniego Êwia-
t∏a s∏onecznego i wtórnej poÊwiaty nieba zabar-
wienie ska∏ zmienia si´ w ró˝nych porach dnia
[ilustracja obok].
Mars ma nu˝àco p∏askà powierzchni´. S∏ynne
wzniesienia Twin Peaks znajdujàce si´ w miejscu
làdowania Mars Pathfindera majà zaledwie 50 m wysokoÊci, a mi-
mo to sà dobrze widoczne z odleg∏oÊci kilometra. Nawet Olympus
Mons, najwy˝sza góra w Uk∏adzie S∏onecznym, ma zbocza o na-
chyleniu zaledwie kilku procent. Topografia staje si´ bardziej in-
teresujàca na kraw´dzi doliny Valles Marineris, która przypomi-
na nieco krain´ kanionów w stanie Utah.
Z powodu p∏askoÊci Marsa astronauci ∏atwo dostrzegà, ˝e ta
planeta jest mniejsza od Ziemi: odleg∏oÊç do horyzontu jest propor-
cjonalna do pierwiastka kwadratowego promienia planety. Dwo-
je ludzi o wzroÊcie 170 cm widzia∏oby si´ wzajemnie z odleg∏oÊci
siedmiu kilometrów. Na Ziemi rzadko mo˝na zobaczyç horyzont
(w tym przypadku dalszy o 2.5 km) z powodu przeszkód topo-
graficznych. Horyzont jest równie˝ granicà bezpoÊredniej ∏àczno-
Êci radiowej na Marsie, który nie ma jonosfery. Do ∏àcznoÊci na
wi´kszych odleg∏oÊciach astronauci b´dà potrzebowaç satelitów
przekaênikowych.
Â
WIAT
N
AUKI
Czerwiec 2000 35
MARSJA¡SKIE ÂRODOWISKO
OCHRONA PLANETARNA
W
podró˝y na Marsa astronautom b´dà towarzyszyç ró˝ne mi-
kroorganizmy, co skomplikuje poszukiwania ˝ycia na plane-
cie. I odwrotnie – wszelkie marsjaƒskie organizmy b´dà mog∏y
przylecieç na gap´ na Ziemi´. Nie spowodujà one raczej ˝adnych
chorób u ludzi i innych gatunków – wi´kszoÊç naukowców uwa-
˝a, ˝e po prostu b´dà si´ zbyt ró˝niç od ziemskich form ˝ycia –
ale ryzyko globalnej katastrofy wcale nie jest zerowe. Mimo ˝e
NASA pracuje nad systemem izolacji biologicznej próbek, które
dostarczà na Ziemi´ automatyczne sondy, nie ma wcià˝ podob-
nego sposobu na odka˝enie astronauty. Kwarantanny stosowane
w programie Apollo by∏y ucià˝liwe, kontrowersyjne i nieskutecz-
ne. Poza tym prowadzà do dramatycznych dylematów. JeÊli astro-
nauci zachorujà, czy powinno si´ wstrzymaç ich powrót na Ziemi´
z powodu nik∏ego prawdopodobieƒstwa, ˝e z∏apali jakàÊ obcà za-
raz´? Lepiej by∏oby, gdybyÊmy nie musieli podejmowaç takich
decyzji. W roku 1992 w raporcie National Research Council stwier-
dzono, ˝e zanim wyÊle si´ ludzi na Marsa, nale˝y zbadaç, czy ist-
niejà tam ocala∏e lub drzemiàce formy ˝ycia. W ka˝dym razie astro-
nauci powinni z góry wiedzieç, które rejony planety sà bezpieczne
do prowadzenia badaƒ oraz jakich Êrodków zapobiegawczych na-
le˝a∏oby u˝yç w innych miejscach, by uniknàç bezpoÊredniego
kontaktu z wszelkimi mo˝liwymi formami marsjaƒskiego ˝ycia.
T∏umaczy∏
Jacek Kruk
PY¸
N
iewielkie czàstki mogà okazaç si´ dla ludzi najwi´kszym pro-
blemem. Poniewa˝ na Czerwonej Planecie stale brakuje wo-
dy w stanie p∏ynnym (na Ziemi poch∏ania ona py∏), planeta po-
kryta jest py∏em, którego drobiny majà Êrednià wielkoÊç 2 µm –
porównywalnà z dymem tytoniowym. Py∏ b´dzie oblepia∏ ska-
fandry, rysowa∏ wizjery he∏mów, powodowa∏ spi´cia elektrycz-
ne, polerowa∏ przyrzàdy i zatyka∏ silniki. Na Ksi´˝ycu, który jest
podobnie zapylony, skafandry wytrzymywa∏y tylko dwa dni, po
czym traci∏y szczelnoÊç. Ponadto analizy przeprowadzone przez
làdownik Viking wskazujà, ˝e czàstki py∏u pokryte sà substancja-
mi powodujàcymi korozj´, na przyk∏ad nadtlenkiem wodoru. Choç
ich st´˝enie jest niskie, te substancje toksyczne nieuchronnie b´dà
niszczyç gumowe uszczelki. NASA planuje bardziej szczegó∏owe
badania podczas misji kolejnych làdowników.
Je˝eli nawet niewielkà cz´Êç py∏u stanowi kwarc, jak sugerujà
badania przeprowadzone przez Mars Pathfindera, mo˝e on po-
wa˝nie zagroziç zdrowiu ludzi. W efekcie wdychania wywo∏uje bo-
wiem krzemic´ – nieuleczalnà chorob´ p∏uc, która tylko w Sta-
nach Zjednoczonych zabija rokrocznie kilkuset górników i robot-
ników budowlanych. Aby uchroniç pomieszczenie mieszkalne od
py∏u, astronauci b´dà musieli dok∏adnie oczyÊciç si´ przed wej-
Êciem. Nie b´dzie to ∏atwe. Namagnesowany i na∏adowany elek-
trycznie py∏ b´dzie oblepia∏ wszystko, a wod´ trzeba przecie˝
oszcz´dzaç. Astronauci prawdopodobnie wykorzystajà do wycie-
rania suchy lód, czyli zestalony dwutlenek w´gla, który wytràca
si´ z atmosfery w postaci Êniegu. Albo u˝yjà dwuwarstwowych
skafandrów, których zewn´trznà warstw´ pozostawià w specjal-
nej Êluzie powietrznej poza g∏ównà cz´Êcià mieszkalnà.
Kolejny problem wià˝e si´ z energià elektrycznà. WydajnoÊç ba-
terii s∏onecznych làdownika Mars Pathfinder spada∏a o 1% w cià-
gu trzech dni, gdy˝ gromadzi∏ si´ na nich py∏. Burza py∏owa mo-
g∏aby zaciemniç niebo i zmniejszyç produkcj´ energii nawet
o po∏ow´. Z tych powodów misja marsjaƒska powinna dyspono-
waç reaktorem jàdrowym o mocy 100 kW.
YOGI – ska∏a najcz´Êciej fotografowana przez kamery làdownika Mars Pathfinder
w 1997 roku – wyglàda inaczej nad ranem (
zdj´cie z lewej) ni˝ po po∏udniu (zdj´cie
z prawej) z powodu zmiennoÊci marsjaƒskiego Êwiat∏a.
NASA/JET PROPULSION LABORATORY