R Zubrin, R Wagner Czas Marsa

Robert Zubrin, Richard Wagner

Czas Marsa

Dlaczego i w jaki sposób musimy skolonizować Czerwoną Planetę

Przełożył: Leszek Kał las

Warszawa 1997

Tytuł oryginału:

THE CASE FOR MARS

The Plan to Settie the Red Planet and Why We Must

Ali rights reserved

Konsultacja naukowa:

dr Robert Kołos

dr hab Paweł Moskalik

Projekt okładki: Katarzyna A Jarnuszkiewicz

Zdjęcie na okładce:

David Ducros/Science Photo

Library/EAST NEWS

Rysunki na podstawie wydania angielskiego

Krzysztof Białkowski

ISBN 83-7180-037-1

Wydawca

Prószyński i S-ka

02-651 Warszawa,

ul Garażowa 7

Druk i oprawa

Łódzka Drukarnia Dziełowa

Spółka Akcyjna

ul Rewolucji 1905 r nr 45, Łódź

SPIS RZECZY

Przedmowa (Arthur C. Clarke) - 7

Słowo wstępne - 11

1 Projekt Mars Direct - 21

2 Od czasów Keplera do ery kosmicznej - 43

3 Opracowanie planu - 76

4 Lot na Marsa - 114

5 Jak pokonać smoki i ominąć syreny - 163

6 Odkrywanie Marsa 195

7 Budowa bazy na Marsie - 233

8 Kolonizacja Marsa - 288

9 Terraformowanie Marsa - 325

10 Widok z Ziemi - 358

Epilog: Znaczenie marsjanskiego pogranicza - 387

Słowniczek terminów - 401

Literatura uzupełniająca - 411

Indeks - 415

PRZEDMOWA

Historia XXI wieku będzie się rozgrywać na Marsie. Mars jest bodaj jedyną w Układzie Słonecznym planetą - poza Ziemią - na której życie mogło istnieć w przeszłości, a nawet obecnie. Zarazem dostępne już dziś - lub w bardzo bliskiej przyszłości - technologie umożliwiają dotarcie na Czerwoną Planetę i przeżycie w tamtejszych warunkach.

Książka Roberta Zubrina - bardzo zabawna w wielu miejscach i opowiadająca historie, za które autor z pewnością nie będzie lubiany przez NASA - stanowi bodaj najbardziej wszechstronne omówienie historii lotów na Marsa i perspektyw na przyszłość. Wyjaśnia, dlaczego powinniśmy polecieć na Marsa, spróbować tam żyć oraz - co jest chyba najważniejsze - w jaki sposób będziemy czerpać bogactwa z mar-sjańskiej ziemi, gdy już się tam znajdziemy.

Osobiście zachwyca mnie myśl, że jeśli argumenty dr. Zubrina zostaną zaakceptowane, pierwsza wyprawa na Marsa może wyruszyć przed moimi dziewięćdziesiątymi urodzinami. Póki co, jeżeli wszystko pójdzie dobrze, rosyjski ładownik Mars1 wystartuje tuż przed moimi siedemdziesiątymi ósmymi urodzinami i zawiezie wiadomość, nagraną przeze mnie na taśmie wideo, przeznaczoną dla kolonizatorów w nadchodzącym XXI wieku.

1 Rosyjska sonda wyruszyła ku Marsowi w listopadzie 1996 roku, lecz zaraz po starcie uległa zniszczeniu (przyp. red.)-

Przesłanie dla Marsa

Nazywam się Arthur Clarke i mówię do was z wyspy Sri Lanka, niegdyś znanej jako Cejlon, na Oceanie Indyjskim, na planecie Ziemia. Mamy wiosnę 1993 roku, jednak ta wiadomość przeznaczona jest dla przyszłości. Zwracam się do mężczyzn i kobiet - być może niektórzy z nich żyją już, gdy dokonuję tego nagrania - słuchających tych słów na Marsie.

Zbliża się nowe tysiąclecie, a równocześnie rośnie nasze zainteresowanie planetą, mającą szansę stać się pierwszym prawdziwym domem ludzkości poza macierzystym światem. Za mojego życia miałem to szczęście, że widziałem, jak wiedza o Marsie wzrasta od niemal całkowitej ignorancji - gorzej nawet, od fałszywych wyobrażeń - do prawdziwego zrozumienia jego geografii i klimatu. Na pewno w wielu dziedzinach wciąż pozostajemy ignorantami, brakuje nam wiadomości, które dla Was są oczywiste. Ale mamy już dokładne mapy Waszego wspaniałego świata i potrafimy sobie wyobrazić, jak można go zmodyfikować - terraformować - by stał się bliższy naszym marzeniom. Być może już rozpoczęliście ten planowany na setki lat proces.

Istnieje pewien związek między Marsem a moją obecną ojczyzną. Pisałem o tym w mojej powieści - prawdopodobnie ostatniej - Miot Boga. Na początku naszego wieku mieszkał tu, na Cejlonie, miłośnik astronomii nazwiskiem Percy Moles-worth. Wiele czasu poświęcał on na obserwacje Marsa, a jego imieniem nazwano wielki - 175 km średnicy - krater na Waszej półkuli południowej. W swojej książce opisałem, jak pewnego dnia astronom z Nowego Marsa spojrzy na świat swoich przodków i poszuka małej wysepki, z której Molesworth - i ja -często podziwialiśmy Waszą planetę.

Był taki czas, niedługo po pierwszym lądowaniu na Księżycu w 1969 roku, kiedy mieliśmy dość optymizmu, by wierzyć, że zdołamy dotrzeć na Marsa około roku 1990. W innym swoim opowiadaniu opisałem rozbitka pierwszej, tragicznej ekspedycji, obserwującego przejście Ziemi przed tarczą Słońca 11 maja... 1984 roku! No cóż, tego dnia na Marsie nie było

nikogo, kto mógłby obserwować to zdarzenie. Ale powtórzy się ono znowu 10 listopada 2084 roku. W tym czasie, mam nadzieję, wiele oczu będzie już spoglądać ku Ziemi, która - jako maleńka, idealnie okrągła plama - z wolna przetnie słoneczny dysk. Proponowałem, abyśmy potężnymi laserami wysłali Wam wtedy sygnał; zobaczycie gwiazdę, która pozdrawia Was ze słonecznej tarczy.

Ja również pozdrawiam Was przez kosmiczny bezmiar -i posyłam swoje życzenia z ostatniej dekady XX wieku, kiedy to ludzkość stała się gatunkiem podróżującym w kosmosie, kiedy wyruszyła w podróż, która nie ustanie, póki będzie istniał Wszechświat.2

Bez wątpienia książka dr. Zubrina - podobnie jak moja niewielka wprawka na temat terraformowania Marsa, czyli Śniegi Olimpu - zostanie poprawiona w wielu szczegółach na skutek postępu technicznego. Mimo to Czas Marsa bezdyskusyjnie dowodzi, że w zasięgu możliwości naszych dzieci leży założenie pierwszej samowystarczalnej ludzkiej kolonii poza macierzystą planetą - Ziemią.

Czy możliwość ta zostanie wykorzystana? Minęło już prawie pięćdziesiąt lat, odkąd zakończyłem poniższymi słowami swą pierwszą książkę Interplanetary Flight (Lot międzyplanetarny):

Wells słusznie zauważył, że mamy wybór między Wszechświatem - a niczym... Wyzwanie ogromnej przestrzeni, dzielącej różne światy, jest fascynujące; jeśli jednak nie uda nam się pokonać trudności, oznaczałoby to, że historia ludzkiej rasy zaczyna zbliżać się do końca. Odwracając się tyłem do wciąż nie tkniętych stopą człowieka obszarów, ludzkość rozpoczęłaby trwającą miliardy lat wędrówkę w dół, z powrotem nad brzeg pierwotnego morza.

Arthur C. Clarke I marca 1996

2 Tekst przesłania wg: Arthur C Clarke: Śniegi Olimpu. Przełożył Piotr Cholewa. Prószyński i S-ka, Warszawa 1996, s. 7-8 (przyp. red.).

SŁOWO WSTĘPNE

Zdecydowaliśmy się polecieć na Księżyc. Zdecydowaliśmy się w ciągu nadchodzących dziesięciu lat polecieć na Księżyc i dokonać innych rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale właśnie dlatego, że są trudne, a przez to zmuszą nas do lepszej organizacji i wykorzystania wszystkich naszych umiejętności. Jesteśmy gotowi sprostać temu wyzwaniu, nie chcemy odkładać tego na później i zamierzamy odnieść zwycięstwo [..]. Do pewnego stopnia jest to akt wiary, pewna wizja, gdyż na razie nie wiemy, jakie korzyści osiągniemy, realizując ów cel. Przestrzeń kosmiczna stoi przed nami otworem i postaramy się w niej znaleźć.

JOHN F. KENNEDY (1962)

Nadszedł czas, by Ameryka wyznaczyła sobie nowy cel w badaniach przestrzeni kosmicznej. Przy okazji niedawnych uroczystości z okazji dwudziestej piątej rocznicy lądowania statku Apollo na Księżycu wielu z nas myślało o tym, co udało się osiągnąć Amerykanom, oraz zadawało sobie pytanie: czy wciąż jesteśmy narodem pionierów? Czy gotowi jesteśmy podjąć wysiłek kontynuowania badań, stawiających nas w awangardzie postępu na Ziemi, czy jesteśmy ludźmi przyszłości, czy też staniemy się narodem przeszłości, o którego wielkości świadczą wyłącznie muzea? Czy - gdy nadejdzie pięćdziesiąta rocznica zdobycia Księżyca - nasi potomkowie uczczą ją jako kamień milowy na drodze ku coraz odleglejszym światom? Czy też na lądowanie na Księżycu będą spoglądać tak, jak w VII wieku n.e. Rzymianie musieli patrzeć na akwedukty i inne wspaniałe dzieła klasycznej architektury, widoczne wśród ruin, zastanawiając się ze zdumieniem: Myśmy to zbudowali?

Nie ma postępu bez dążenia do wyznaczonego celu. Amerykański program kosmiczny, rozpoczęty błyskotliwie misjami Apollo i związanymi z nimi projektami, przez następne dwadzieścia lat miotał się, zmierzając w nieokreślonym kierunku. Aby rozwijać badania kosmosu, potrzebujemy celu nadrzędne

go, wyznaczającego szlak. Na obecnym etapie rozwoju jedynym takim celem może być zbadanie Marsa i jego kolonizacja.

Mars jest czwartą planetą od Słońca, znajduje się około 50% dalej od niego niż Ziemia, przez co jest tam znacznie zimniej niż na naszej planecie. Wprawdzie w dzień temperatura osiąga czasem 17°C, nocą słupek rtęci wskazywałby jednak aż -90°C. Obecnie na powierzchni Marsa nie występuje ciekła woda, ponieważ przeciętne temperatury są niższe od temperatury jej zamarzania. Nie zawsze tak było. Na zdjęciach wykonanych z orbity okołomarsjańskiej widać wyschłe koryta rzeczne -znak, że w zamierzchłej przeszłości Mars był znacznie cieplejszym i wilgotniejszym miejscem niż obecnie. Z uwagi na to właśnie powierzchnia Marsa to najlepszy w Układzie Słonecznym obszar do poszukiwań pozaziemskich form życia -wymarłych bądź wciąż żywych. Długość marsjańskiej doby - 24 godziny i 37 minut - bardzo nieznacznie odbiega od wartości ziemskiej. Czerwona Planeta obraca się wokół osi nachylonej do orbity pod kątem 24°, podobnie jak w przypadku Ziemi; w rezultacie zmienność marsjańskich pór roku bardzo przypomina cykl ziemski. Ponieważ jednak marsjański rok liczy sobie 669 marsjańskich dni (686 dni ziemskich), wszystkie pory roku są prawie dwukrotnie dłuższe niż na Ziemi. Mars ma dużą powierzchnię, gdyż - mimo że średnica planety wynosi tylko połowę ziemskiej - powierzchnia nie jest w ogóle przykryta morzami; przez to jest ona równa powierzchni wszystkich ziemskich kontynentów. W momencie największego zbliżenia Ziemi i Marsa planety dzieli odległość 60 min km, najbardziej zaś oddalone bywają o mniej więcej 400 min km. Przy wykorzystaniu współczesnych technologii napędu rakietowego, wyprawa w jedną stronę z Ziemi na Marsa trwałaby sześć miesięcy - znacznie dłużej niż trzy dni, jakie załoga statku Apollo musiała spędzić w przestrzeni kosmicznej, lecąc na Księżyc, lecz bez wątpienia krócej niż wiele podróży, odbywanych przez ludzi w przeszłości. W XIX wieku emigranci z Europy częstokroć spędzali podobny czas na statku wiozącym ich do Australii. Przekonamy się wkrótce, że technologie potrzebne do odbycia lotu na Marsa są w zasięgu naszych możliwości.

Gdy niniejsza książka miała powędrować do drukarni, naukowcy z NASA ogłosili niebywałe odkrycie - przedstawili przekonujące poszlaki świadczące o występowaniu mikroorganizmów wewnątrz odnalezionej pod lodem Antarktydy skały, która przyleciała z Marsa wskutek zderzenia planety z meteorytem. Do poszlak zalicza się: złożone cząsteczki organiczne, magnetyty, inne typowe pozostałości mineralogiczne po bakteriach oraz obłe struktury, przypominające bakterie. Zdaniem NASA uzyskane dowody są ważne, lecz nie rozstrzygające. Jeśli istotnie znaleziono pozostałości form żywych, może się okazać, że są to dowody występowania w przeszłości najprostszych przedstawicieli biosfery, której bardziej złożone i interesujące wytwory wciąż mogą spoczywać w marsjańskiej glebie. Do odnalezienia takich skamieniałości nie wystarczą sztuczne oczy zdalnie sterowanych robotów: na Czerwonej Planecie muszą się znaleźć ludzie, by móc szukać i obserwować.

Dlaczego Mars?

Wybór Marsa jako celu podróży międzyplanetarnej nie wiąże się jedynie z rozwojem technologii kosmicznych. Dotarcie do Marsa potwierdziłoby pionierski charakter naszego społeczeństwa. Mars jest jedyną planetą w Układzie Słonecznym - poza Ziemią - która ma wszystkie bogactwa naturalne, niezbędne nie tylko do podtrzymywania funkcji życiowych, lecz także rozwoju cywilizacji technicznej. Kontrast z pustynnym Księżycem jest spory: w marsjańskiej glebie występują istne oceany wody w postaci wiecznej zmarzliny. Czerwona Planeta ma bogate zasoby węgla, azotu, wodoru i tlenu, wszystkie w postaciach nadających się bez trudu do wykorzystania, jeśli tylko znaleźliby się ludzie dość pomysłowi i chętni. Wymienione cztery pierwiastki stanowią podstawę produkcji żywności, a także tworzyw sztucznych, drewna, papieru, ubrań oraz - co najważniejsze - paliwa rakietowego. Co więcej, w przeszłości Mars doświadczył okresów aktywności wulkanicznej i hydrologicznej, które na Ziemi doprowadziły do powstania wielu rozmaitych rud minerałów. Na

Marsie występują prawie wszystkie pierwiastki o znaczeniu przemysłowym. Wprawdzie na powierzchni planety nie ma ciekłej wody, pod powierzchnią sytuacja wygląda jednak inaczej -są wszelkie powody, by sądzić, że, dzięki źródłom energii geotermicznej, pod powierzchnią Marsa wciąż istnieją zbiorniki ciekłej i gorącej wody. Zbiorniki hydrotermiczne mogły posłużyć za kryjówkę dla starożytnych marsjańskich mikrobowych form życia. Byłyby to oazy, dostarczające kolonizatorom dużych ilości ciekłej wody i energii geotermicznej. Z wyjątkiem Ziemi Mars jest jedyną planetą mającą 24-godzinny cykl dobowy oraz atmosferę dość grubą, by chronić powierzchnię przed promieniowaniem, pochodzącym z rozbłysków słonecznych, a zatem -jedyną pozaziemską planetą, na której mogą istnieć duże szklarnie, oświetlane naturalnym światłem Słońca. Już dziś, na tak wczesnym etapie poznawania Czerwonej Planety, wiadomo, że występuje tam (w pięć razy większych ilościach niż na Ziemi) materiał o potencjalnie dużym znaczeniu handlowym: deuter. Dziś na Ziemi kilogram deuteru - ciężkiego izotopu wodoru - kosztuje 10 tysięcy dolarów.

Na Marsie mogą osiedlić się ludzie. Dla naszego pokolenia oraz wielu następnych planeta ta to Nowy Świat.

Tubylcze metody: sposób na szybkie zdobycie Marsa

Historia pokazuje, że sukcesy najczęściej odnosili odkrywcy, którzy zadali sobie trud poznania, nauczenia się i przejęcia od tubylców sposobu życia w dzikich ostępach. Obcokrajowiec widzi jedynie nieznane tereny, tubylec zaś - dom. Nie dziwi nas, że ludy żyjące na danym obszarze lepiej potrafią wykorzystywać jego zasoby.

Mieszkańcom miasta krajobraz arktyczny jawi się jako wyludniona, zupełnie pozbawiona zasobów i nieprzebyta przestrzeń. Eskimos wie jednak o wielu występujących tam bogactwach. W XIX wieku brytyjska marynarka wojenna wysłała, ponosząc wielkie koszty, flotyllę parowych statków wojennych z zadaniem

odnalezienia na obszarach kanadyjskiej Arktyki przejścia pół-nocno-zachodniego. Wyładowane węglem i innymi ładunkami statki z trudem brnęły przez parę lat przez morza i góry lodowe, dopóki cała załoga nie zginęła z powodu wyczerpania zapasów.

W tym samym czasie niewielkie grupy odkrywców, trudniących się handlem futrami, swobodnie podróżowały po dalekiej Północy na psich zaprzęgach. Od ludów zamieszkujących Arktykę przejęli zwyczaj żywienia siebie i psów zwierzyną upolowaną na miejscu oraz podróżowania z niewielkim obciążeniem. Nasza wiedza o terenach arktycznych znacznie więcej zawdzięcza ich podróżom niż ekspedycji flotylli statków wojennych.

Płyną z tego nauki, które można zastosować do badań kosmosu. Choć - na razie - nie ma Marsjan, możemy postawić parę pytań. W jaki sposób hipotetyczni mieszkańcy Marsa podróżowaliby po powierzchni swojej planety? Czy sprowadzaliby z Ziemi potrzebne paliwo rakietowe? A skąd mieliby tlen? Jak zaopatrywaliby się w wodę oraz pożywienie? W jaki sposób zdołaliby przeżyć? Odpowiedź jest oczywista: Gdy jesteśmy na Marsie, musimy postępować tak, jak postępowaliby Marsjanie.

Psim zaprzęgiem na Marsa

Wiele koncepcji załogowych wypraw na Marsa przypomina ociężałe metody brytyjskiej marynarki wojennej, użyte do badania Arktyki. Według tych planów ogromne transportowce będą zawozić na Marsa wszelkie potrzebne załodze zasoby oraz paliwo rakietowe. Tak olbrzymie statki nie mogłyby wystartować z Ziemi, więc wymagałyby składania na orbicie okołoziemskiej, jak również długotrwałego przechowywania w przestrzeni kosmicznej zbiorników ultrazimnego („kriogenicznego") materiału napędowego. W tym celu konieczne byłoby zbudowanie na orbicie wielu urządzeń i instalacji. Na realizację podobnych przedsięwzięć trzeba by wydać niebotyczne sumy. Jeden z takich projektów, znany pod nazwą Raportu. 90-dniowego, opracowany w 1989 roku w odpowiedzi na wezwanie prezydenta George'a Busha do podjęcia nowych inicjatyw w badaniach kosmicznych

(SEI, od ang. Space E,xploration Initiatiue), kosztowałby około 450 miliardów dolarów. Kongres, zaszokowany taką ceną, odrzucił plan prezydenta Busha; przestano poważnie traktować projekt wysłania kiedykolwiek załogowej misji na Marsa.

Podobnie jak w przypadku zdobywania Arktyki, można odmiennie podejść do wyprawy na Marsa - pomyśleć na przykład o „psich zaprzęgach". Rozumne wykorzystanie bogactw badanego miejsca powoduje obniżenie wymogów logistycznych, związanych z wysłaniem misji, do poziomu, który śmiało można uznać za realny. ,

Mam na myśli projekt Mars Direct (Bezpośrednio na Marsa), stworzony przeze mnie podczas pracy w firmie Martin Marietta Astronautics w zespole, prowadzącym pionierskie badania nad opracowaniem zaawansowanych technik wypraw międzyplanetarnych. Projekt nie przewiduje korzystania z gigantycznych międzyplanetarnych statków kosmicznych, a więc eliminuje konieczność budowy orbitalnych baz, instalacji i magazynów. Proponuje wysłanie na Marsa załogi wraz z modułem mieszkalnym w górnym stopniu tej samej rakiety nośnej, która wyniesie astronautów na orbitę okołoziemską - identycznie jak w przypadku misji Apollo i wszystkich dotychczasowych sond bez-załogowych. W ten sposób przedsięwzięcie znacznie się upraszcza, wymagania co do sprzętu maleją, nie trzeba prowadzić badań, trwających kilkadziesiąt lat, i wydawać setek miliardów dolarów na budowę infrastruktury orbitalnej. Kluczowym elementem projektu jest pomysł wykorzystania przez wyprawę lokalnych, marsjańskich zasobów do produkcji na powierzchni Czerwonej Planety materiału napędowego na drogę powrotną oraz większości materiałów zużywanych podczas pobytu.

Dzięki występującym na Marsie bogactwom naturalnym Czerwona Planeta jest nie tylko celem pożądanym, lecz również - możliwym do osiągnięcia.

Załogowa misja na Marsa nie wymaga budowy wielkich kosmicznych krążowników, lecz przewiezienia z powierzchni Ziemi na powierzchnię Marsa ładunku, pozwalającego niezbyt licznej załodze przetrwać podróż międzyplanetarną oraz pobyt na planecie, a następnie powrócić na naszą planetę z identycz-

nym bądź zbliżonym ładunkiem. Zadanie to nie przekracza naszych dzisiejszych możliwości technicznych ani finansowych, pod warunkiem należytego wykorzystania możliwości eksploatacji zasobów marsjańskich, co ograniczyłoby rozmach wyprawy i wiążące się z nią trudności natury logistycznej. Podróżować z niewielkim obciążeniem i żyć, wykorzystując miejscowe bogactwa - oto bilet na Marsa.

Rozwój nowej koncepcji

Książka niniejsza przedstawia projekt Mars Direct, opowiada jak doszło do jego powstania, jaka jest filozofia wyprawy na Marsa, wylicza potrzebny sprzęt oraz przedstawia najważniejsze etapy działania i wymogi natury logistycznej, procedury awaryjne i możliwe scenariusze w przypadku niepowodzenia misji, a także potencjał, jaki ów projekt zawiera. W 1990 roku, gdy wraz z Davidem Bakerem po raz pierwszy sformułowaliśmy plan, wielu osobom w NASA wydawał się on zbyt radykalny, dlatego nie był traktowany poważnie. Upływ czasu, cierpliwe tłumaczenie i niepowodzenie alternatywnych projektów sprawiły, że niektórzy zmienili zdanie i zdołałem uzyskać spore poparcie. Zaczęły się do mnie przyłączać kolejne osoby, z których pomocą koncepcja konsekwentnie wędrowała w górę po szczeblach drabiny decyzyjnej. W 1992 roku poproszono mnie o prezentację planu dr. Mike'owi Griffinowi, jednemu z dyrektorów NASA, który z kolei opowiedział o projekcie nowo mianowanemu dyrektorowi, Danowi Goldinowi. Również i on podchwycił pomysł i posunął się na tyle daleko, by dyskutować o nim podczas serii publicznych „zgromadzeń", organizowanych przez NASA w latach 1992-1993.

Wspierany przez Griffina i Goldina, powtórnie przedstawiłem plan Mars Direct w Centrum Kosmicznym im. Johnsona (JSC) w Houston. Udało mi się przekonać grupę osób, kierujących programem przygotowań do załogowej wyprawy na Marsa, by dokładnie przeanalizowały moją propozycję. W ten sposób na podstawie planu Mars Direct powstało szczegółowe

studium, rozbudowane mniej więcej dwukrotnie w stosunku do oryginalnej koncepcji. Następnie poddano ocenie rozbudowaną wersję programu: koszt opracowania i zbudowania sprzętu oraz odbycia trzech pełnych załogowych misji na Marsa oszacowano na 50 miliardów dolarów. Obliczył to ten sam zespół, który wcześniej orzekł, że skomplikowany program marsjański, przestawiony w Raporcie 90-dniowym, kosztowałby NASA 450 miliardów dolarów. Moim zdaniem, gdyby zdyscyplinować nieco plan powstały w JSC poprzez eliminację zbędnego sprzętu i dodatkowych członków załogi, koszt realizacji spadłby o połowę, do 20-30 miliardów dolarów.

Ponadto zespół Centrum Kosmicznego im. Johnsona zlecił firmie Martin Marietta wykonanie za niewielką kwotę 47 tysięcy dolarów urządzeń, które demonstrowałyby akcentowany przeze mnie nieskomplikowany charakter technologii, potrzebnych do przekształcania marsjańskiej atmosfery w rakietowy materiał napędowy. Wywiązaliśmy się z zadania, konstruując i budując w ciągu trzech miesięcy pełnowymiarową instalację, pracującą z wydajnością 94%. Nasza prezentacja była tym bardziej przekonująca, że ani ja, ani inżynier kierujący projektem, ani nikt zaangażowany w prace zespołu nie był inżynierem chemikiem. Skoro nam udało się wyprodukować urządzenie, to na pewno jest to proste.

Możemy zrealizować ten plan

Wydatek w granicach 20-30 miliardów dolarów nie jest, oczywiście, mały, lecz tyle mniej więcej kosztuje opracowanie i wyprodukowanie nowego typu broni, tyle też wynosiła pomoc udzielona Meksykowi przez rząd USA pewnego letniego popołudnia 1995 roku. Rozłożona na dwadzieścia lat, suma ta odpowiada mniej więcej 8-12% obecnego budżetu NASA, przy czym przez pierwsze dziesięć lat trwałoby wytwarzanie wyposażenia, a trzy wyprawy odbyłyby się w ciągu następnych dziesięciu lat. Myślę, że Amerykę bez trudu stać na podobny wydatek, który zaowocuje otwarciem nowego świata dla ludzkiej cywilizacji.

Zbadanie Marsa nie będzie wymagać żadnych nowych, cudownych technologii, orbitujących portów kosmicznych, napędu rakietowego wykorzystującego antymaterię ani gigantycznych krążowników międzyplanetarnych. Jesteśmy w stanie założyć bazę na Marsie, stosując dobrze znane techniki i czerpiąc ze zdroworozsądkowych tradycji naszych przodków, którzy byli pionierami, odkrywcami i kolonizatorami.

Książka koncentruje się na dwóch zagadnieniach: w jaki sposób możemy zrealizować ten plan oraz dlaczego powinniśmy to zrobić.

O książce

Książka jest przeznaczonym dla laików „streszczeniem" wyników wieloletniej pracy wielu specjalistów. Wprawdzie szczegóły planów wysłania ludzi na Marsa mają bardzo specjalistyczny charakter, najistotniejsze kwestie, przesądzające o wykonalności projektu, są jednak zrozumiałe. Są to bowiem pytania, które dotyczą strategii działania - w pełni zrozumiałe dla każdej osoby, dysponującej podstawową wiedzą i gotowej przemyśleć omawiane problemy.

Niestety, do tej pory społeczeństwo nie miało dostępu do aktualnych informacji. Istniejąca literatura popularnonaukowa, dotycząca załogowych misji na Marsa, jest w większości albo naiwna, albo bardzo ogólnikowa, natomiast prace specjalistyczne są skomplikowane, nierzadko nieobiektywne, dostosowane do potrzeb rozmaitych grup nacisku i organizacji technicznych, które wykorzystują te publikacje do zabiegania o własne, partykularne interesy. Nie było dotychczas odpowiedniej książki popularnonaukowej o lotach załogowych na Marsa. Mam nadzieję, że Czas Marsa częściowo wypełni tę lukę.

Starałem się balansować na cienkiej linii, oddzielającej prezentację szczegółów technicznych od zrozumiałej narracji. Łatwo poprzestać na oznajmieniu, że jeden plan jest lepszy od innego; autor nie byłby jednak w takim przypadku do końca

w porządku, gdyż właśnie w rozważaniach szczegółów technicznych Czytelnik znajdzie najsilniejsze argumenty, przemawiające za lub przeciw konkretnym projektom wypraw bądź technologiom. Niektóre rozdziały mają bardziej specjalistyczny charakter niż inne, lecz mimo to powinny być zrozumiałe i dla nowicjuszów, i dla ekspertów. (Dotyczy to rozdziału 4, zawierającego nieco bardziej szczegółowy opis planu Mars Direct, oraz rozdziału 5, w którym przytaczam różne argumenty, zgłaszane przeciw programowi załogowych lotów na Marsa, i pokazuję, że na drodze stoją nie smoki, lecz chochliki). Jeśli Czytelnik blednie na widok wzorów i liczb, może po prostu nie zwracać na nie uwagi podczas lektury - sam tekst wystarczająco naświetli omawiane tematy.

Pracuję jako inżynier astronautyk, ale kiedyś wykładałem nauki ścisłe i dlatego zawsze usiłuję przedstawiać materiał w przejrzysty i zwięzły sposób. W przeciwieństwie do wielu moich błyskotliwych kolegów naukowców, zawsze uważałem, że jasność wykładu nie jest wrogiem prawdy, lecz jej najważniejszym sprzymierzeńcem. Ponadto żywię silne przekonanie, że wiedza, związana ze sprawami równie ekscytującymi i mającymi żywotne znaczenie dla ludzkości, jak perspektywa udostępnienia nowej planety, nie powinna pozostawać wyłączną własnością elity, pracującej nad najnowocześniejszymi technologiami; przeciwnie, każdy musi mieć możliwość samodzielnego rozważenia problemu. Z tych względów postanowiłem zaangażować jako współautora Richarda Wagnera, w przeszłości redaktora „Ad Astra", popularnonaukowego czasopisma, poświęconego badaniom kosmosu, wydawanego przez amerykańskie Narodowe Towarzystwo Kosmiczne. Wagner ma wieloletnie doświadczenie w popularyzacji badanych przez naukę zagadnień. Mam nadzieję, że dzięki jego pomocy oraz wsparciu Mitcha Horowitza, zdolnego redaktora w wydawnictwie The Free Press, Czas Marsa może okazać się udaną próbą przedstawienia naprawdę istotnych zagadnień związanych z planami zbadania Marsa przez ludzi.

Przecież w ostatecznym rozrachunku to właśnie wy, drodzy Czytelnicy, możecie sprawić, że polecimy na Marsa.

ROZDZIAŁ 1

PROJEKT MARS DIRECT

Mars obfituje w widoki zapierające dech w piersiach. Na Czerwonej Planecie znajdują się wspaniałe góry, trzykrotnie wyższe niż Mount Everest, kaniony, które są trzy razy głębsze i pięć razy dłuższe od Wielkiego Kanionu, rozległe pola lodowe oraz tajemnicze, wyschnięte koryta rzeczne, ciągnące się przez tysiące kilometrów. Możliwe, że nie zbadana wciąż powierzchnia Marsa kryje ogromne bogactwa oraz zasoby o niewyobrażalnym znaczeniu dla przyszłych pokoleń Ziemian. Być może Czerwona Planeta rzuci nowe światło na niektóre poważne filozoficzne kwestie, będące od tysiącleci obiektem rozważań i dociekań. Niewykluczone, że Mars stanie się w przyszłości domem nowej, dynamicznie rozwijającej się gałęzi ludzkiej cywilizacji, a także nowym obszarem pogranicza, którego zasiedlenie i rozwój będą motorem postępu całej ludzkości. Wszelkie marsjańskie zasoby pozostaną jednak poza naszym zasięgiem, dopóki na dziką powierzchnię Czerwonej Planety nie przybędą ludzie.

Zgodnie z powszechnym przeświadczeniem załogowa wyprawa na Marsa to przedsięwzięcie na „odległą przyszłość", zadanie dla „przyszłych pokoleń". My mamy na ten temat zdanie odmienne: oto dysponujemy obecnie wszystkimi potrzebnymi technologiami, by w ciągu najbliższych dziesięciu lat rozpocząć

22 • CZAS MARSA

realizację planu intensywnych i długotrwałych badań Czerwonej Planety przez misje załogowe. Możliwe jest dotarcie na Marsa w stosunkowo niedużych statkach kosmicznych, startujących z Ziemi bezpośrednio na rakietach nośnych, wykorzystujących tę samą technologię, która ponad ćwierć wieku temu pozwoliła astronautom dotrzeć na Księżyc.

W jaki sposób? Realizacja prawie wszystkich planów załogowych wypraw na Marsa - rozwijanych od lat pięćdziesiątych do dziewięćdziesiątych - zakładała dowiezienie na planetę przez ogromne kosmiczne transportowce całości zapasów, potrzebnych do życia ludzkiej załodze, oraz paliwa rakietowego na pełny czas trwania wyprawy. Potrzebny statek byłby tak wielki, że nie mógłby wystartować z powierzchni Ziemi, więc byłby składany z członów na orbicie okołoziemskiej. Montaż statku kosmicznego oraz przechowywanie sporych ilości materiału napędowego pociągają za sobą konieczność zbudowania na orbicie swoistego „równoległego świata", składającego się z krążących wokół Ziemi gigantycznych „suchych doków", hangarów, magazynów paliwa kriogenicznego, stacji energetycznych, punktów kontrolnych i stacji mieszkalnych dla ekipy montażowej. Wielokrotnie podkreślano, że realizacja misji załogowej na Marsa według takich koncepcji pochłonie setki miliardów dolarów i nie będzie możliwa bez technologii, które powstaną nie wcześniej niż za trzydzieści lat.

Okazuje się jednak, że - aby ludzie mogli wylądować na Marsie - nie potrzeba żadnych cudownych, nie znanych technologii ani ogromnych pieniędzy. Załogowa podróż na Czerwoną Planetę nie wymaga budowy futurystycznych statków kosmicznych w rodzaju Battlestar Galactica. Odwołanie się do zdrowego rozsądku i wykorzystanie dostępnych już teraz technologii pozwoli odbyć podróż bez wielkich obciążeń i „żyć, wykorzystując lokalne zasoby". Na identycznych koncepcjach opierały się prawie wszystkie udane wyprawy odkrywcze i badawcze, podejmowane w przeszłości na Ziemi. Wykorzystywanie lokalnych zasobów w inteligentny sposób jest strategią, która w przeszłości pozwoliła nie tylko zdobyć amerykański Dziki Zachód, lecz poznać całą Ziemię. „Wykorzystanie lokal-

PROJEKT MARS DIRECT • 23

nych zasobów" pozwoli również zdobyć Marsa. Projekty konwencjonalnych misji na Marsa są tak ogromnie rozbudowane i kosztowne właśnie dlatego, że zakłada się w nich, iż do wyprawy na Marsa - trwającej łącznie z drogą powrotną 2-3 lata - konieczne jest zabranie z Ziemi wszystkich niezbędnych materiałów. Jeśliby jednak udało się wytwarzać potrzebne materiały na Marsie, sytuacja wyglądałaby zupełnie inaczej.

Wiosną 1990 roku zacząłem kierować w firmie Martin Ma-rietta Astronautics w Denver w stanie Kolorado zespołem inżynierów i naukowców, którzy pracowali nad projektem pionierskiej wyprawy na Marsa, wykorzystującej te koncepcje. Projekt nosi nazwę Mars Direct (Bezpośrednio na Marsa) i jest najszybszym, najbezpieczniejszym, najbardziej praktycznym i najtańszym programem zbadania Czerwonej Planety i osiedlenia się na niej.

Projekt Mars Direct unika zbędnych, kosztownych i czasochłonnych rozwiązań: nie ma potrzeby montażu rakiety w całość na niskiej orbicie okołoziemskiej, wymiany paliwa podczas lotu, budowy hangarów dla statków kosmicznych i ogromnej stacji kosmicznej ani budowania baz księżycowych przed przystąpieniem do badań Marsa. Rezygnacja z tych planów prawdopodobnie pozwoli ludziom dostać się na Czerwoną Planetę dwadzieścia lat wcześniej, niż gdyby przyjęto inną koncepcję wyprawy, a także uniknąć rosnących kosztów administracyjnych, problemu, z którym borykają się wszystkie rozbudowane programy rządowe.

Realizacja projektu Mars Direct wymagałaby przeznaczenia około 20 miliardów dolarów na wytworzenie całego potrzebnego wyposażenia oraz około 2 miliardów na każdą następną wyprawę na Marsa. Bez wątpienia są to ogromne kwoty, jeśliby jednak wydatek ten rozłożyć na dziesięć lat, potrzebne sumy byłyby równe 7% obecnych budżetów cywilnych oraz wojskowych programów badań kosmicznych. Ponadto, podobnie jak 70 miliardów dolarów (dzisiejsza wartość), wydanych w latach sześćdziesiątych na badania naukowe i opracowanie technologii dla misji Apollo, pieniądze przeznaczone na projekt Mars Direct dałyby amerykańskiej gospodarce równie potężny impuls.

24 • CZAS MARSA

Program Mars Direct może wydawać się atrakcyjny z powodu swej prostoty, lecz jednocześnie niewykonalny, gdyż masa materiałów napędowych i innych zapasów, koniecznych do załogowej wyprawy na Marsa, uniemożliwia start statku z Ziemi i bezpośredni lot na Marsa. Sytuacja tak właśnie by się przedstawiała, gdyby nie jedna istotna różnica: paliwo i zapasy, potrzebne do realizacji marsjańskiej misji, nie muszą pochodzić z Ziemi - można zaopatrzyć się w nie na Marsie.

Oto jak przedstawia się realizacja projektu Mars Direct widziana z dogodnego punktu obserwacyjnego - końca lat dziewięćdziesiątych XX wieku.

Sierpień 2OO5

Na wyrzutni rakietowej Centrum Kosmicznego im. J. F. Ken-nedy'ego na Przylądku Canaveral na Florydzie stoi wielostopniowa rakieta nowego typu, zbudowana z obecnie istniejących części. Cienka metalowa powłoka paruje w porannym słońcu. Rakieta nośna przypomina starego Saturna 5 - rakietę, która zaniosła człowieka na brzegi księżycowego Morza Spokoju. Choć nowa rakieta nośna Ares nie odbiega zbytnio pod względem nośności od Saturna 5, jest napędzana czterema silnikami głównymi SSME promu kosmicznego oraz dwoma silnikami wspomagającymi promu; skonstruowano je dzięki pracom prowadzonym w ciągu ostatnich dwudziestu lat. Silniki się zapalają, a płomienie i dym, spowijające startującego Aresa, wyznaczają początek nowej ery kosmicznej. Gdy statek zostawia daleko w dole ziemską atmosferę, jego górny stopień oddziela się od rakiety nośnej. Zaczyna pracować pojedynczy silnik, wykorzystujący spalanie wodoru i tlenu: w stronę Marsa w bezzałogowy rejs rusza gwałtownie 45-tonowy statek, który posłuży do powrotu na Ziemię (ERY, od ang. Earth Re-turn Yehicle).

Charakter statku powrotnego oddaje jego nazwa. Będzie miał za zadanie przetransportować astronautów z powierzchni Marsa na Ziemię; lot zakończy się wodowaniem w jednym

PROJEKT MARS DIRECT • 25

z mórz. Lecąc na Marsa, statek powrotny przewozi nieduży reaktor jądrowy, zamontowany na górze lekkiego pojazdu transportowego, automatyczne instalacje do przeprowadzania procesów chemicznych, wraz z zestawem sprężarek, oraz parę roverów (ruchomych stacji badawczych) z wyposażeniem do prowadzenia badań naukowych. Część załogowa statku powrotnego obejmuje system podtrzymywania funkcji życiowych, zapasy żywności oraz inne przedmioty, niezbędne czteroosobowej załodze podczas ośmiomiesięcznej podróży powrotnej na Ziemię. Statek powrotny przybywa na Czerwoną Planetę z prawie pustymi zbiornikami paliwowymi (jest tam zaledwie 6 ton ciekłego wodoru, który posłuży do produkcji paliwa rakietowego), choć podczas rejsu powrotnego dwa człony napędowe statku zużyją około 96 ton dwuskładnikowego paliwa (metan/tlen).

Luty 2006

Statek powrotny dociera na Marsa po sześciu miesiącach lotu ze średnią prędkością około 27 km/s. Przybywając, statek delikatnie zawadza o górne warstwy cienkiej atmosfery Czerwonej Planety, wykorzystując osłonę aerodynamiczną - zaokrągloną osłonę w kształcie grzyba. Prędkość statku maleje na tyle, że może on wejść na orbitę wokół Marsa. Statek powrotny czeka na orbicie przez parę dni, podczas których służba kontroli lotów przeprowadza ostateczny sprawdzian działania systemów. Gdy w wybranym miejscu lądowania nadchodzi jasny świt ze słabym wiatrem i cienie na powierzchni wyraźnie się rysują, statek kosmiczny zostaje ponownie skierowany w atmosferę przed podejściem do lądowania. Osłona aerodynamiczna statku powoduje, że zwalnia on poniżej prędkości dźwięku, co umożliwia otworzenie spadochronów, pozwalających łagodnie zejść ku powierzchni Marsa. Następnie, kilkaset metrów nad powierzchnią planety, spadochrony zostają odrzucone, statek zaś uruchamia małe rakietki, które mają za zadanie delikatnie posadzić go na powierzchni.

26 • CZAS MARSA

Statek powrotny, osiadłszy na rdzawym gruncie planety, z miejsca przystępuje do produkcji - niemal z niczego, bo z rzadkiego marsjanskiego powietrza - paliwa, potrzebnego do lotu powrotnego na Ziemię. Otwierają się boczne drzwi, przez które na zewnątrz wytacza się lekki pojazd z niedużym reaktorem jądrowym. Kontrolerzy lotu z centrum w Houston, wykorzystując jako „oczy" małe kamery telewizyjne, zamontowane na pokładzie, powoli skierowują pojazd ku miejscu odległemu o kilkaset metrów od lądowiska. Gdy pojazd się porusza, z kołowrotu stopniowo odwija się kabel zasilania, łączący układ instalacji chemicznych na statku z niedużym reaktorem jądrowym. Gdy kontrolerom uda się doprowadzić pojazd w odpowiednie miejsce, wyciągarka podnosi nieduży reaktor umieszczony w ładowni pojazdu, po czym opuszcza go i układa wewnątrz małego krateru lub innego naturalnego zagłębienia powierzchni. Wkrótce po uruchomieniu reaktor dostarcza do jednostki chemicznej statku energię elektryczną o mocy 100 kilowatów (kW); wystarcza ona do rozpoczęcia produkcji paliwa rakietowego. Proces ten polega na wsysaniu marsjanskiego powietrza za pomocą zestawu pomp oraz prowadzeniu reakcji z udziałem wodoru, przetransportowanego z Ziemi na pokładzie statku powrotnego. Powietrze na Marsie składa się prawie wyłącznie (w 95%) z dwutlenku węgla (CO2) w postaci gazowej. W instalacji chemicznej dwutlenek węgla wiązany jest z wodorem (H2), dając w rezultacie metan (CH4) - paliwo rakietowe magazynowane na statku po wyprodukowaniu -oraz wodę (H2O). Ta prosta reakcja metanizacji była wykorzystywana w celach przemysłowych już w ostatniej dekadzie XIX wieku. Metanizacja eliminuje ewentualny problem, związany z przechowywaniem na powierzchni Marsa ciekłego wodoru w bardzo niskiej temperaturze. W innym reaktorze dochodzi do rozdzielenia wody, powstałej w wyniku metanizacji, na pierwiastki składowe - wodór i tlen; tlen jako paliwo rakietowe trafia do magazynu, wodór natomiast jest przydatny do produkcji kolejnych porcji metanu i wody - jest on wprowadzany do ponownego obiegu w jednostce chemicznej. Dodatkowe ilości tlenu pochodzą z trzeciej instalacji, która pobiera

PROJEKT MARS DIRECT • 27

z marsjańskiej atmosfery dwutlenek węgla, by oddzielić tlen, potrzebny jako paliwo rakietowe, od bezużytecznego odpadu, tlenku węgla (zwanego czadem), uwalnianego do atmosfery. Bazując na przywiezionym z Ziemi początkowym zapasie 6 ton ciekłego wodoru, po upływie pół roku funkcjonowania instalacji chemicznych wyprodukowanych zostanie 108 ton metanu i tlenu. Ilość ta wystarczy na lot powrotny; co więcej, 12 ton można będzie wykorzystać jako paliwo dla jeżdżących po powierzchni planety pojazdów terenowych z napędem spalinowym. Wykorzystanie marsjańskiego powietrza - najłatwiej dostępnych zasobów Marsa - umożliwia osiemnastokrotne pomnożenie zapasów paliwa rakietowego (w stosunku do paliwa przywiezionego z Ziemi).

Można odnieść wrażenie, że przedstawiony ciąg reakcji syntezy wymaga zaawansowanej wiedzy chemicznej. W rzeczywistości proces ten nie wykracza w ogóle poza powszechnie stosowane technologie ery oświetlenia gazowego, a nawet jest trywialny w porównaniu z niemal wszystkimi innymi procesami oraz działaniami, które trzeba wykonać, realizując jakąkolwiek misję międzyplanetarną. Realność planu Mars Direct zawdzięczamy właśnie koncepcji „wykorzystywania lokalnych zasobów". Próba dowiezienia na Marsa całej ilości potrzebnego paliwa rakietowego nie mogłaby się powieść bez budowy ogromnych, kosztownych statków kosmicznych, składających się z członów startujących osobno i składanych w całość na orbicie okołoziemskiej. Koszty zorganizowania takiej misji prędko urosłyby do niewyobrażalnej wysokości. Nie powinno nas zatem dziwić, że możliwość wykorzystania lokalnych zasobów ma decydujący wpływ na organizację lotu na Marsa; odnosi się to zresztą do każdej innej wyprawy kosmicznej. Zastanówmy się, co by się stało, gdyby Lewis i Clark1 zabrali w swą transkontynentalną podróż całą potrzebną żywność, wodę i paszę. Przewóz tak wielkich zapasów nie byłby możliwy bez setek wozów, które z kolei wyma-

1 M. Lewis i W. Clark odbyli w latach 1804-5 pierwszą amerykańską transkontynentalną wyprawę badawczą (przyp. red.)-

28 • CZAS MARSA

gałyby setek koni i woźniców. Taka organizacja podróży skończyłaby się logistycznym koszmarem, a koszty przewyższyłyby ogół środków, znajdujących się w Ameryce za czasów prezydenta Jeffersona. Nic dziwnego, że koszty wysłania misji na Marsa zgodnie z projektami, nie zakładającymi wykorzystania lokalnych zasobów, urosłyby do zawrotnej kwoty 450 miliardów dolarów!

Wrzesień 2006

Trzynaście miesięcy po starcie z Ziemi na powierzchni Marsa spoczywa statek powrotny, wyposażony już w zapas paliwa, i czeka na przybycie astronautów. Inżynierowie z Centrum Kosmicznego im. Johnsona NASA, nadzorujący każdy etap chemicznego procesu produkcji materiału napędowego, zezwolili na rozpoczęcie następnej fazy planu Mars Direct. Statek powrotny rozmieszcza małe roboty, których zadanie polega na zbadaniu i sfotografowaniu bezpośredniego otoczenia. W wyborze miejsca swego przyszłego lądowania w okolicy statku powrotnego aktywnie uczestniczy, oprócz robotów badawczych, odpowiednio przeszkolona załoga pierwszej misji na Marsa. Po paru miesiącach dokładnych obserwacji sejsmicznych wyznaczony zostaje idealny punkt lądowania. Jeden z małych robotów, sunąc powoli przez wyboistą marsjań-ską powierzchnię, umieszcza w tym miejscu transponder radiolokacyjny, mający pomóc w bezpiecznym lądowaniu statku niosącego załogę.

Październik 2O07

Oczekując na rozpoczęcie nowej ery w historii ludzkości, nad równinami otaczającymi Przylądek Canaveral majestatycznie góruje rakieta nośna Ares 3, przenosząca statek Beagle, nazwany tak dla upamiętnienia statku, wiozącego Charlesa Dar-wina podczas jego odkrywczej podróży. Parę tygodni wcześniej

PROJEKT MARS DIRECT • 29

w niebo nad Florydą wzbiła się rakieta nośna Ares 2, identyczna jak Ares 1; przewozi ona również podobny ładunek. Gdy tłumy, zainteresowane startem rakiety, mającej zabrać pierwszych ludzi na Marsa, zbierają się wokół niej, Ares 2 pędzi już w stronę Czerwonej Planety.

Zasadniczym elementem statku Beagle jest moduł mieszkalny, z wyglądu przypominający trochę wielki bęben. Moduł ma 5 m wysokości i 8 m średnicy i potocznie nazywa się go habem. W jego skład wchodzą dwa pokłady, każdy wysokości 2,5 m i o powierzchni 100 m2, jest więc wystarczająco duży, by stanowić wygodne pomieszczenie dla czteroosobowej załogi. Moduł mieszkalny wyposażony jest w system podtrzymywania funkcji życiowych załogi, wykorzystujący w zamkniętym obiegu zużyty tlen i wodę; ma też zapas pożywienia na trzy lata, a poza tym spore rezerwy suchego prowiantu oraz ciśnieniowy pojazd naziemny, napędzany wewnętrznym silnikiem spalającym mieszaninę metanowo-tlenową (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Moduł mieszkalny wg projektu Mars Direct oraz statek powrotny (ERY), umieszczone wewnątrz układu hamowania atmosferycznego.

Członkowie załogi muszą mieć prawdziwie renesansową naturę. Biorąc pod uwagę badawczy charakter pierwszej wyprawy na.Marsa i oddalenie od Ziemi, wszyscy muszą być przeszkoleni w wielu dyscyplinach. Zasadniczo w skład załogi

30 • CZAS MARSA

wchodzą dwaj naukowcy przygotowani do badań terenowych (biogeochemik i geolog) oraz dwaj inżynierowie mechanicy: pilot, mający jednocześnie wykształcenie inżyniera pokładowego, i członek załogi, będący wszechstronnym ekspertem i „złotą rączką", również inżynier pokładowy, potrafiący ponadto udzielić pomocy medycznej i rozumiejący szeroko zakreślone cele badań naukowych. Osoba ta dubluje umiejętności wszystkich pozostałych członków załogi, pełniąc jednocześnie funkcję dowódcy wyprawy.

Na pokładzie Beagle czworo astronautów przygotowuje się do rozpoczęcia prowadzącej do innego świata podróży, z której powrócą po około dwóch i pół roku - w przybliżeniu tyle czasu przed paroma wiekami zajęło podróżnikom opłynięcie kuli ziemskiej. W odległości kilku kilometrów od statku ponad milion ludzi wpatruje się w niebo, oczekując aż odliczanie dojdzie do zera. Ziejąc ogniem, odpalają silniki pierwszego stopnia rakiety nośnej. Gdy Ares 3 odrywa się od wyrzutni, ludzie wiwatują. Rakieta przyspiesza, unosząc przez atmosferę górny stopień z ładunkiem. Następnie włączają się silniki górnego stopnia rakiety nośnej i odłącza się stopień dolny. Statek osiąga kursową prędkość podróży międzyplanetarnej. Ku Marsowi zmierza czworo ludzi.

Pilot modułu mieszkalnego poleca odrzucić wypalony górny stopień rakiety nośnej; utrzymuje się go jednak na uwięzi liną długości 330 m. Uruchomiony zostaje mały silnik rakietowy modułu mieszkalnego, dzięki czemu statek zaczyna się obracać, wykonując dwa obroty na minutę. Powstała w ten sposób siła odśrodkowa wystarczy, by podczas lotu na Czerwoną Planetę zapewnić astronautom sztuczną grawitację, zbliżoną do siły ciążenia, występującej na Marsie.

Kwiecień 2008

Po 180 dniach lotu moduł mieszkalny dociera na Czerwoną Planetę. Statek pozbywa się liny i górnego członu, po czym hamuje i wchodzi na orbitę wokół Marsa. Załoga zamierza posa-

PROJEKT MARS DIRECT • 31

dzić Beagle na miejscu lądowania, sprawdzonym uprzednio przez statek powrotny, który ruszył na Marsa w 2005 roku. Radiolatarnia znajdująca się na Aresie l, szczegółowe mapy i fotografie miejsca lądowania, transponder radarowy oraz umiejętności załogi stanowią gwarancję pomyślnego lądowania. Gdyby, choć to mało prawdopodobne, Beagle nie odnalazł miejsca lądowania, załoga mogłaby wybrać trzy możliwości postępowania. Po pierwsze, na pokładzie modułu mieszkalnego znajduje się ciśnieniowy rover z napędem o zasięgu do 1000 km, zatem w promieniu 1000 km od wyznaczonego miejsca lądowania załoga może samodzielnie dotrzeć do statku powrotnego, podróżując po powierzchni Marsa. Drugie rozwiązanie może zostać wykorzystane w sytuacji, gdyby, z powodu jakiejś katastrofy, Beacie wylądował dalej niż 1000 km od celu. Drugi statek powrotny, wysłany w drogę na rakiecie nośnej Ares 2, porusza się po powolniejszej trajektorii i zbliża się do Marsa nieco później niż Beagle. A zatem nawet jeśli załoga znajdzie się po niewłaściwej stronie Czerwonej Planety, będzie mogła pokierować drugim statkiem powrotnym tak, by wylądował tuż koło modułu mieszkalnego. Ostatnia możliwość polega na zaopatrzeniu czteroosobowej załogi w zapasy, wystarczające na trzy ciężkie lata, które musiałaby ona przetrwać na Marsie, gdyby doszło do najgorszego; w 2009 roku wysłane zostałyby kolejne zapasy oraz statek powrotny.

Lądowanie przebiegło jednak pomyślnie. Wprawdzie członkowie załogi dokładnie poznali miejsce lądowania dzięki obrazom zebranym przez rovery i przekazanym na Ziemię, widok rozciągającego się przed oczami marsjańskiego krajobrazu jest zaskakujący. Powierzchnia planety ma rdzawy kolor i jest upstrzona większymi i mniejszymi kawałkami skał o ostrych krawędziach, a w oddali rysują się niewielkie wzgórza i wydmy. Przypomina pustynie południowo-zachodniej części Stanów Zjednoczonych - z wyjątkiem nieba, które ma rumiany, łososiowy odcień. Sporo pracy czeka zaraz po lądowaniu, jednak załoga długą chwilę przygląda się Czerwonej Planecie. Przecież w ciągu trwającej ponad cztery miliardy lat historii Marsa i Ziemi widoku tego nie podziwiały oczy żadnej istoty.

32 • CZAS MARSA

Gdy Beagle osiądzie bezpiecznie na powierzchni planety, statek powrotny Ares 2 wyląduje około 800 km dalej i rozpocznie proces gromadzenia materiału napędowego. Przyda się on statkowi powrotnemu drugiej załogowej wyprawy, która dotrze na Marsa w 2009 roku, a w ślad za nią - kolejny statek powrotny, zajmując trzecie lądowisko. Gdy misja nabierze rozmachu, powstanie sieć ośrodków badawczych, które zmienią rozległe tereny Czerwonej Planety w obszary pod ludzkim władaniem.

Załoga Beagle spędzi na powierzchni Marsa pięćset dni. Konwencjonalne projekty zakładały, że na orbicie wokół Marsa pozostanie duży statek baza, z którego na powierzchnię wyprawiać się będą tylko niewielkie ekipy badawcze. Natomiast projekt Mars Direct proponuje umieścić wszystkich członków załogi na powierzchni planety, gdzie będą mogli prowadzić badania i uczyć się żyć w marsjańskim środowisku. Nikt nie musi pozostawać na orbicie - wystawiony na działanie nieważkości i niebezpiecznego promieniowania kosmicznego. Wszyscy członkowie załogi mogą korzystać z naturalnej siły ciążenia, osłony przed promieniowaniem kosmicznym oraz ze światła słonecznego; nie ma zatem potrzeby szybkiego powrotu. Załoga pozostawiona, zgodnie z konwencjonalnymi projektami, na orbicie okołomarsjańskiej (areocentrycznej) wprost nasiąkałaby promieniowaniem kosmicznym, co znacznie ograniczyłoby czas przebywania astronautów na powierzchni Czerwonej Planety -mniej więcej do 30 dni. Odnoszę wrażenie, że w przypadku wyprawy na Marsa, gdy sama podróż w obie strony trwa półtora roku, miesięczny okres pobytu na powierzchni nie byłby zadowalający; świadczyłby wręcz o klapie całego przedsięwzięcia. Ponadto szybszy powrót na Ziemię wymaga znacznie większych ilości materiału napędowego. Nie wystarczy jednak mieć więcej paliwa: ponieważ Ziemia i Mars stale zmieniają wzajemne położenie, plan szybkiego powrotu każe wybrać trajektorie, na których statek uzyska dodatkowe grawitacyjne przyspieszenie dzięki prześlizgnięciu się w pobliżu Wenus - a tam promieniowanie słoneczne jest dwukrotnie intensywniejsze niż na naszej planecie.

PROJEKT MARS DIRECT • 33

Realizacja projektu Mars Direct pozwala wykorzystać długi okres pobytu na powierzchni planety na badania, wzbogacające naszą wiedzę i pozwalające w przyszłości poznać i zasiedlić Marsa. Zgłębienie geologii Czerwonej Planety umożliwi odtworzenie historii klimatu Marsa oraz pomoże odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób i kiedy planeta przestała być wilgotna i ciepła. Informacje te prawdopodobnie pozwolą znaleźć sposób na ożywienie klimatu Marsa i, być może, ocalenie Ziemi. Badania geologiczne obejmą także poszukiwania przydatnych minerałów i innych zasobów. Przede wszystkim astronauci odszukają łatwe do wydobycia pokłady lodu z wody lub - jeszcze lepiej - znajdujące się pod powierzchnią zbiorniki wody, ogrzewane geotermicznie. Odnalezienie wody, w postaci ciekłej lub lodu, ma fundamentalne znaczenie, gdyż otworzy przyszłość badaniom Marsa, zwalniając z konieczności przywożenia z Ziemi wodoru, potrzebnego do produkcji paliwa rakietowego, oraz pozwalając - po założeniu na Marsie stałej bazy - rozpocząć szklarnianą uprawę roślin na większą skalę. Eksperymenty związane z rolnictwem zajmują na liście priorytetów wysoką pozycję, dlatego potrzebna będzie nadmuchiwana szklarnia. Ludzie na Ziemi najbardziej jednak będą się pasjonować prowadzonymi przez astronautów poszukiwaniami życia na Marsie.

Obrazy uzyskiwane z orbity ukazują wyschnięte koryta rzeczne, świadczące o tym, że kiedyś na powierzchni Marsa płynęła woda, a więc panowały warunki sprzyjające powstaniu życia. Materiał geologiczny dowodzi, że ciepły i wilgotny klimat panował na Marsie przez pierwszy miliard lat istnienia planety - znacznie dłużej, niż potrzeba było na pojawienie się życia na Ziemi. Współczesne teorie powstania życia utrzymują, że ewolucja form żywych z materii nieożywionej to naturalny proces, zachodzący z dużym prawdopodobieństwem w każdym sprzyjającym okresie i warunkach. Jeśli teorie te są prawdziwe, to istnieją znaczne szansę, że kiedyś na Marsie pojawiło się życie. Czy jednak wymarło, czy może wciąż czai się na Czerwonej Planecie? Odkrycie marsjańskich form życia, zarówno żywych, jak i skamieniałości, stanowiłoby niemalże dowód na to, że życie

34 • CZAS MARSA

występuje powszechnie we Wszechświecie, że wokół miliardów gwiazd, iskrzących się na niebie w jasną noc, krążą niezliczone ożywione światy będące siedliskiem nieskończenie różnorodnych cywilizacji. Z drugiej zaś strony, jeśli na Marsie nigdy nie powstało życie, pomimo łaskawego w przeszłości klimatu, znaczyłoby to, że ewolucja życia jest procesem wymagającym niesamowitych zbiegów okoliczności. Możemy zatem być we Wszechświecie samotni.

Ponieważ kwestia ta jest niezwykle ważna, powinniśmy rozpocząć intensywne poszukiwania współczesnych i dawnych form życia na Marsie. Sprawdzić trzeba wiele miejsc: wyschnięte koryta rzek i jezior, które mogły być ostatnimi redutami ginącej marsjańskiej biosfery, a zatem miejscem powstania skamieniałości. Również czapy biegunowe Czerwonej Planety mogą zawierać dobrze zachowane resztki marsjań-skich organizmów, jeśli kiedykolwiek istniały. Jest wysoce prawdopodobne, że na Marsie woda występuje pod powierzchnią, ogrzewana w wyniku procesów geologicznych. W takich warunkach niektóre organizmy mogłyby przetrwać. Z pewnością stanowiłyby niesamowite znalezisko, gdyż musiałyby różnić się od wszystkich form życia na Ziemi. Badania marsjań-skiego życia pozwoliłyby stwierdzić, które cechy życia na Ziemi są przypadkowe, a które stanowią podstawowe cechy życia w ogóle. Wyniki badań mogą spowodować przełom w medycynie, inżynierii genetycznej oraz wszystkich dziedzinach biologii i biochemii.

Poszukiwanie życia wymagać będzie z pewnością znacznie więcej wysiłku niż przemieszczenie się po powierzchni planety w promieniu paru metrów i wiercenie otworów. Pierwsi badacze Marsa będą zmuszeni podróżować daleko poza horyzont bazy. Tygodniowe wyprawy badawcze w odległe miejsca będą odbywać naziemnym roverem z ciśnieniową kabiną, wewnątrz której panuje przyjazne dla astronautów środowisko. Rover ma silnik na metan/tlen, tak jak statek powrotny. Dziesięć procent zapasu materiału napędowego, wytworzonego w instalacjach chemicznych statku powrotnego, będzie przeznaczone na badania powierzchni Marsa. Dysponując tak znaczną ilo-

PROJEKT MARS DIRECT • 35

ścią paliwa, astronauci będą mogli spenetrować rozległe obszary wokół bazy: z pierwszej wyprawy powrócą dopiero wtedy, gdy licznik wskaże ponad 24 tysiące km. Załoga podróżująca roverem będzie pozostawiać po drodze małe, zdalnie sterowane roboty; ich kamery telewizyjne pozwolą obserwować marsjański krajobraz członkom załogi, którzy pozostaną w bazie, oraz nam, na Ziemi.

Badania prowadzone przez astronautów dostarczą oszałamiających ilości nowych, unikalnych informacji, których będzie z pewnością więcej, niż zdołałby przetrawić jeden członek załogi. Każdy z astronautów będzie odbywał regularnie konferencje z udziałem najwybitniejszych ekspertów ze swojej dziedziny; dzięki temu między Marsem a Ziemią będzie zachodziła intensywna wymiana informacji. Członkowie załogi będą także mogli wysyłać i otrzymywać informacje osobiste, lecz trzeba pamiętać, że opóźnienie między pytaniem a odpowiedzią wyniesie 40 minut. To kłopot dla tych wszystkich, którzy są przyzwyczajeni do rozmów telefonicznych, lecz nie dla osób potrafiących napisać przyzwoity list.

Wrzesień 2009

Gdy minie półtora roku pobytu na powierzchni Czerwonej Planety, astronauci wgramolą się na pokład statku powrotnego i wzniosą ku Ziemi, gdzie - po sześciu miesiącach podróży - zgotowane im zostanie przyjęcie godne bohaterów. Na Marsie załoga pozostawiła Bazę l wraz z modułem mieszkalnym Beagle, rover, szklarnię, zasilanie i instalacje chemiczne, zapas paliwa metanowo-tlenowego oraz prawie wszystkie przyrządy naukowe. W maju 2010 roku, niedługo po powrocie pierwszej załogi na Ziemię, na Marsa dociera druga załoga w module mieszkalnym i ląduje w miejscu, w którym powstanie Baza 2. Większość czasu spędzonego na powierzchni planety pochłoną badania naukowe terenów otaczających bazę, w pewnym momencie załoga wyruszy jednak odwiedzić moduł mieszkalny Beagle w Bazie l, i to nie z powodów senty-

36 • CZAS MARSA

mentalnych, lecz aby kontynuować badania, prowadzone w tamtym miejscu.

Projekt Mars Direct przewiduje zatem, że co dwa lata startowałyby z Przylądka Canaveral dwie rakiety Ares: jedna niosąca moduł mieszkalny z załogą, a druga - statek powrotny, lądujący w nowym miejscu, do którego dotrze kolejna misja (rys. 1.2). Dwa starty rakiet nośnych co dwa lata, czyli średnio jeden rocznie, stanowi 10% dostępnej obecnie w USA liczby ciężkich rakiet nośnych. To wystarczy, by rozwijać program badań Marsa, a Ameryka z pewnością może sobie na to pozwolić. Dodatkową korzyścią byłoby wykorzystanie rakiet nośnych Ares, modułów mieszkalnych i statków powrotnych (po wyposażeniu ich w jeden tylko człon napędowy) z projektu Mars Direct do budowy i utrzymywania stacji księżycowych. Choć bazy na Księżycu nie są potrzebne przy realizacji tego projektu, stanowią one wartość samą w sobie, zwłaszcza jako wspaniałe obserwatoria astronomiczne. Zastosowanie tego samego sprzętu do obu rodzajów wypraw - księżycowych i marsjańskich - pozwoli oszczędzić dziesiątki miliardów dolarów.

Projekt Mars Direct nie jest pozbawiony ryzyka. Nieznane są skutki długotrwałego przebywania w warunkach marsjań-skiej grawitacji, wynoszącej 38% siły ciążenia na Ziemi. Doświadczenia zebrane podczas pobytów w stacjach na orbicie okołoziemskiej, gdzie występuje zerowa grawitacja, sugerują jednak, że wszelkie zmiany chorobowe są odwracalne. Następna kwestia to promieniowanie kosmiczne: technologie napędu rakietowego dostępne obecnie oraz w najbliższej przyszłości sprawiają, że lot na Marsa po dopuszczalnych trajektoriach trwa około pół roku. Jest to okres wystarczający, by astronauci wchłonęli dawki promieniowania równoważne zwiększeniu ryzyka zachorowania na śmiertelną odmianę raka o 0,5-1%, nie tak wiele, jeśli zważymy, że ryzyko zachorowania przez mieszkańca Ziemi na śmiertelną odmianę raka wynosi 20%.

Marsjańskie środowisko może kryć w sobie wiele niespodzianek. Ładowniki Yiking, które w latach siedemdziesiątych

PROJEKT MARS DIRECT • 37

Rys. 1.2. Kolejne etapy misji Mars Direct. Najpierw dochodzi do wysłania na Marsa bezzałogowego statku powrotnego (ERY), który napełni zbiorniki wyprodukowanym na Marsie paliwem: metanem i tlenem. Następnie co dwa lata do planety dociera para statków. Jeden z nich to bezzałogowy ERV, lądujący w nowym miejscu. Natomiast drugi, załogowy, prowadzony przez pilotów statek z modułem mieszkalnym ląduje obok poprzedniego ERY.

osiadły na powierzchni Czerwonej Planety, choć zaprojektowane na 90 dni, działały bez zarzutu przez ponad cztery lata, mimo panującego tam zimna, wiatrów i wszechobecnego pyłu. Największym ryzykiem, związanym z misją na Marsa, jest awaria najważniejszych układów mechanicznych bądź elektrycznych. Ryzyko takie można ograniczyć, montując równoległe układy awaryjne dla najważniejszych systemów oraz wprowadzając do załogi dwóch świetnych mechaników. Tak czy inaczej, z wyprawą na Marsa wiąże się pewne ryzyko i jest ono nieuniknione, niezależnie od tego, czy podejmiemy próbę realizacji projektu Mars Direct w 2007 roku, czy też misję na Marsa zostawimy przyszłym pokoleniom. Pamiętajmy jednak, że żadne wielkie odkrycie nie dokonało się bez pewnego ryzyka.

38 • CZAS MARSA

Maj 2018

Z biegiem czasu na Marsie będą zakładane kolejne bazy. Trzeba będzie również podjąć decyzję, który ze zbadanych terenów najlepiej nadaje się pod budowę marsjańskich osiedli. Idealne miejsce powinno leżeć nad podpowierzchniowym zbiornikiem, który stanowiłby obfite źródło gorącej wody i prądu elektrycznego. Gdy już odpowiednie miejsce zostanie wybrane, następne wyprawy przestaną lądować w coraz to nowych punktach i zaczną przylatywać w to właśnie miejsce. Po pewnym czasie powstaną konstrukcje, przypominające małe miasteczko. Wysokie koszty transportu między Ziemią a Marsem sprawią, że najbardziej poszukiwani będą astro-nauci, którzy zechcą przedłużyć swój pobyt na powierzchni Czerwonej Planety ponad minimalne półtora roku. Zdobywszy doświadczenie w życiu na Marsie, przy uprawie roślin w tamtejszych warunkach i wytwarzaniu różnych materiałów, astronauci będą tam przebywać przez cztery, sześć, a nawet więcej lat. Jednocześnie systematycznie maleć będą koszty transportu na Marsa dzięki stosowaniu nowszych technologii i zgłaszaniu konkurencyjnych ofert na dostawy ładunków do marsjańskiej bazy. Uzupełnieniem innych źródeł energii będą wytworzone na miejscu fotoogniwa słoneczne, wiatraki i studnie geotermiczne, a nadmuchiwane - również wyprodukowane na miejscu - plastykowe struktury powiększą przestrzeń życiową miasteczka. Na Marsa będzie przybywać i pozostawać przez dłuższy czas coraz więcej osób i liczba mieszkańców miasteczka będzie stale wzrastać. W końcu urodzą się na Marsie pierwsze dzieci - prawdziwi kolonizatorzy planety, nowa gałąź ludzkości.

Niewykluczone, że kiedyś na Marsie będą żyć miliony ludzi, traktując go jak swój dom. W końcu możliwe stanie się zastosowanie ziemskich technologii, dzięki którym zimny i jałowy Mars przekształci się w dawną ciepłą i wilgotną planetę. Jeśli operacja ta się powiedzie, transformacja pozbawionej - lub prawie pozbawionej - życia planety w żyjący, oddychający świat, stanowiący schronienie dla wielu rozmaitych, nowych

PROJEKT MARS D1RECT • 39

Rys. 1.3. Pierwsza baza na Marsie, powstała w wyniku połączenia modułów mieszkalnych Mars Direct (rys Carter Emmart).

ekosystemów, będzie jednym z największych i najszlachetniejszych osiągnięć ludzkości. Będziemy mogli być dumni z gatunku ludzkiego.

Taka może być przyszłość. W dzisiejszych czasach mamy okazję, by wytyczyć szlak: możemy w ciągu dziesięciu lat wysłać na Marsa czworo ludzi i rozpocząć poznawanie Czerwonej Planety. Właśnie nam, a nie przyszłym pokoleniom, może przypaść wiekopomny zaszczyt otwarcia dla ludzkości nowego świata. Wystarczy dzisiejsza technologia, inżynieria chemiczna rodem z XIX wieku, trochę zdrowego rozsądku i odrobina tupetu.

WYKORZYSTANIE LOKALNYCH ZASOBÓW:

AMUNDSEN, FRANKLIN I DZIEJE PRZEJŚCIA

PÓŁNOCNO-ZACHODNIEGO

Historia dostarcza wielu przykładów potwierdzających tezę, że garstka ludzi potrafi, dysponując bardzo ograniczonym budżetem, pomyślnie przeprowadzić wyprawę odkrywczą, której nie mogły zorganizować większe grupy dysponujące znaczniejszymi środkami. Warunkiem sukcesu było mądre czerpanie z lokalnych zasobów. Na swoje nieszczęście w przeszłości odkrywcy często ignorowali tę wiedzę.

40 • CZAS MARSA

O północy 16 czerwca 1903 roku Roald Amundsen wraz z sześcioosobową załogą wypłynął w morze ze smaganej deszczem Christiany w Norwegii. Statek skierował się ku Arktyce kanadyjskiej i Przejściu Północno-Zachodniemu. Dla badaczy Arktyki odkrycie Przejścia Północno-Zachodniego wiązałoby się z ogromną sławą, gdyż przez prawie trzysta lat setkom wypraw nie udało się odnaleźć drogi między pływającymi polami lodowymi, kanałami i wodami Dalekiej Północy.

Amundsen podążał śladami swego bohatera lat młodzieńczych, sir Johna Franklina, wielkiej, lecz tragicznej postaci, uczestniczącej w odkrywaniu Arktyki. Franklin podjął poszukiwanie Przejścia Północno-Zachodniego niemal sześćdziesiąt lat wcześniej. Nachodzony przez wierzycieli, Amundsen wypłynął na trzydziestoletnim statku, kupionym za pieniądze pożyczone od brata. Natomiast Franklin wyruszył dysponując wsparciem brytyjskiej admiralicji; dowodził dwoma statkami -Erebus i Terror, z których każdy zdolny był przewieźć sporo ponad 300 ton - i załogą liczącą 127 ludzi. Historyk Pierre Breton tak pisze o wyprawie:

[...] statki wiozły góry zapasów i paliwa, a także ekwipunek, zabierany w XIX wieku na wyprawy morskie: zdobioną porcelanę, kryształy, ciężkie wiktoriańskie srebra, Biblie i modlitewniki, stosy czasopisma „Punch", mundury z mosiężnymi guzikami i przyrządy do polerowania guzików.2

Słowem, wyprawa Franklina miała ze sobą wszystko, z wyjątkiem rzeczy koniecznych do przetrwania.

Statki Erebus i Terror wyruszyły 19 maja 1845 roku. Ich dowódca spodziewał się odkryć Przejście Północno-Zachodnie i w ten sposób zdobyć sławę; popadł jednak w niepamięć. 25 czerwca wielorybnicy z Grenlandii dostrzegli statki Franklina przyczepione do góry lodowej; byli ostatnimi Europejczykami, którzy widzieli ekspedycję. Franklin, wraz ze swymi statkami, załogą i wszelkimi zapasami, zginął na arktycznym pustkowiu.

2 P. Breton: TheArctic Grail. Penguin Books 1989.

PROJEKT MARS DIRECT • 41

W latach 1848-1859 ponad pięćdziesiąt wypraw wyruszyło z zamiarem rozwiązania zagadki zniknięcia ekspedycji Frankli-na. Ze strzępów, które udało się przez lata uzbierać - dwóch krótkich relacji, zamarzniętych i powykręcanych szczątków niektórych członków załogi, fragmentów przedmiotów europejskiego pochodzenia, zebranych przez Eskimosów z lodu lub ze statków - wyłonił się obraz tragicznego końca wyprawy, do którego doszło z powodu, jak to ujął jeden ze współczesnych, wleczenia przez Franklina swojego środowiska na Daleką Północ.

Złapana jesienią 1846 roku w lodową pułapkę niedaleko Wyspy Króla Williama wyprawa Franklina starała się przetrwać, wykorzystując własne zapasy solonego mięsa. Wprawdzie ekspedycja wiozła ze sobą dużo mięsa, nie było ono jednak świeże, mięso solone zaś nie chroniło załogi przed szkorbutem. Franklin nie przywiązywał do tego większej wagi. Ekspedycja miała ze sobą dubeltówki, przydatne, być może, w polowaniach na kuropatwy, żyjące na brytyjskich wrzosowiskach, jednak bezużyteczne wśród lodów arktycz-nych. Franklin zdecydował się polegać na porcjach soku cytrynowego. Członkowie załogi jeden po drugim słabli i umierali; Franklin zmarł na pokładzie statku w czerwcu 1847 roku. Część załogi, pragnąc dotrzeć na południe, porzuciła statki. Nie zaszli jednak daleko, ciągnąc przez arktyczne pustkowia ciężkie, wykonane z metalu i drewna dębowego sanie. Wszyscy zginęli.

Amundsen pragnął podążać w ślady Franklina, lecz nie chciał skończyć tak jak on. Zamiast przywozić do Arktyki swoje środowisko, poznał tamtejsze warunki i przyjął strategię wykorzystywania lokalnych zasobów. Dowiedział się o zapobiegających szkorbutowi właściwościach jelit karibu i nie gotowanego tranu wielorybiego. Poznał eskimoski sposób podróżowania przez Arktykę: psie zaprzęgi, wystarczająco szybkie, by umożliwić polowanie na dużą zwierzynę. Amundsen nauczył się eskimoskiej metody budowania schronień z kawałków lodu i, zamiast angielskich wełnianych ubrań, przywdział odzież ze skóry reniferów.

42 • CZAS MARSA

Gjóa, statek wiozący Amundsena i jego sześcioosobową załogę, również zamarzł w polu lodowym i musiał spędzić dwie zimy w małym porcie w południowo-wschodniej części Wyspy Króla Williama, niedaleko miejsca katastrofy wyprawy Frankli-na. Mimo to Amundsen z załogą nie umarli z głodu, ponieważ potrafili odpowiednio wykorzystać mobilność psich zaprzęgów i podróżowali po lądzie na odległość nawet kilkuset kilometrów, polując i poznając otoczenie. Zdołali nie tylko przeżyć, lecz nawet dokonać ważnego geofizycznego odkrycia, że magnetyczne bieguny Ziemi się przesuwają. Załodze statku powiodło się w tym samym środowisku, które okazało się śmiertelne dla ekspedycji Franklina. W sierpniu 1905 roku, po ostatecznym oswobodzeniu się z lodów i opuszczeniu Wyspy Króla Williama, statek Gjóa w ciągu paru tygodni zdołał przedrzeć się przez morze, wytyczając Przejście Północno-Zachod-nie. Następne parę miesięcy zajęło Amundsenowi dotarcie do najdalej wysuniętej placówki dysponującej telegrafem. Chciał, na koszt swojego mecenasa z Norwegii, poinformować o sukcesie wyprawy. Sześć lat później Amundsen wykorzystał doświadczenia z pobytu na Wyspie Króla Williama i zdobył biegun południowy.

ROZDZIAŁ 2

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ

Należy stworzyć statki i żaglowce, poruszane niebieską bryzą.

Wtedy nie zabraknie śmiałków, którym niestraszna posępna pustka kosmosu.

List JOHANNESA KEPLERA do Galileusza (1609)

Byliśmy już na Marsie. Rankiem 20 czerwca 1976 roku amerykański statek kosmiczny Yiking l osiadł na Chry-se Planitia, Złotej Równinie, na powierzchni Czerwonego Globu. Gdy dotknął powierzchni planety, oddalonej o 330 milionów km, nikt z pracowników Jet Propulsion Laboratory (JPL) w Pasadenie w Kalifornii nie wiedział, czy bezzałogowy statek dotarł bezpiecznie, czy też roztrzaskał się o skały podczas lądowania. Pracownicy JPL musieli czekać prawie dwadzieścia minut na dotarcie wiadomości o bezawaryjnym lądowaniu sondy.

Prawie natychmiast Yiking przystąpił do pracy. Zaprogramowane wcześniej sekwencje instrukcji kazały ładownikowi wykonać - już 25 sekund po wylądowaniu - zdjęcia o wysokiej rozdzielczości; znalazł się na nich teren przylegający do jednej z nóg sondy. Yiking przekazał obraz w czasie rzeczywistym: dane mknęły ku Ziemi z prędkością światła, podczas gdy inżynierowie i naukowcy odliczali minuty, dzielące ich od przybycia sygnałów radiowych z Marsa. Zaskoczeni, podekscytowani i zadowoleni wpatrywali się w wyświetlane, linia po linii, zdjęcie marsjańskiego krajobrazu.

Z pewnością nie stanowiło ono szczytu możliwości, niosło jednak ze sobą ważne informacje: pracownicy JPL dowiedzieli

44 • CZAS MARSA

się, że Yiking przetrwał lądowanie oraz że układ przekazywania obrazów działa poprawnie. Zdjęcie było ostre: odłamki skalne na tle marsjańskiej gleby, nity na nodze Yikinga, widoczne równie dobrze, jak guziki białych koszul inżynierów w JPL. Następny obraz, który zgodnie z wcześniejszym programem miał przesłać Yiking, przedstawiał horyzont i najbliższe otoczenie sondy. Widok ten prawdopodobnie zapamiętają wszyscy, którzy czekali na panoramę Czerwonej Planety: jałowy krajobraz, zaśmiecony dużymi i małymi kawałkami skał o ostrych krawędziach, a w oddali wydmy piaskowe i niezbyt wysokie, falujące wzgórza. Świat ten zdawał się pusty i obcy, mimo że krajobraz składał się ze znanych elementów.

Przez całe wieki ludzie obserwowali Marsa i snuli rozmaite hipotezy na jego temat. Wyniki badań i zrywy wyobraźni dały uczonym poczucie, że ludzki umysł jest w stanie poznać kosmos i zrozumieć złożoność Wszechświata. Gdy na Marsie wylądował Yiking, wiadomo było, że granice naszego Wszechświata znów się poszerzyły, tym razem nie tylko za sprawą intelektualnych spekulacji, lecz także - fizycznej obecności urządzenia wykonanego ludzką ręką. Aby do tego doszło, konieczna było długa podróż, która rozpoczęła się parę wieków temu i podczas której nie obeszło się bez poświęceń.

Wyjście z ciemności

Rankiem w lutym 1600 roku Giordano Bruno, wielki humanista włoskiego renesansu, został wyciągnięty ze swojej celi i rozebrany. Nagiego, zakneblowanego i przywiązanego do słupa prowadzono ulicami Rzymu, a za nim podążała grupa szydzących i skandujących inkwizytorów. Procesja przybyła na plac Campo del Fiori, pod teatr Pompeje - miejsce egzekucji. Któryś z oprawców Giordana, w jednej ręce trzymając pochodnię, w drugiej zaś portret Jezusa Chrystusa, zażądał, by skazaniec wyraził skruchę. Bruno gniewnie odwrócił od niego twarz. Rozpalono stos, który pochłonął jednego z najbardziej przenikliwych myślicieli w historii ludzkiej cywilizacji.

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 45

Giordana Bruna zamordowano za to, że podczas publicznych debat oraz w swoich pismach twierdził, jakoby świat był nieskończony, inne zaś gwiazdy przypominały nasze Słońce; wokół nich miały krążyć planety, wśród których były również zamieszkane światy, podobne do Ziemi. Wynikałoby z tego, że obserwatorzy, którzy żyją w tych odległych światach, patrząc w górę, widzą nasze Słońce i Ziemię, krążące po niebie swojej planety. A zatem z ich punktu widzenia to my, będąc na Ziemi, „znajdujemy się w niebie".

Choć człowiek średniowieczny mógł się czuć zaszokowany takim rozumowaniem, dlaczego posuwano się do zabijania tego, kto głosił takie poglądy? Z jakiego powodu grożono śmiercią Galileuszowi i przez wiele lat przetrzymywano go w areszcie domowym? Co sprawiło, że w czasach renesansu z uprawianiem astronomii - nauki traktującej o kwestiach, które na pozór mają znikomą wartość praktyczną - wiązało się ryzyko śmierci lub więzienia? Jednym słowem, dlaczego stawka w tej grze była tak wysoka?

Powodem było to, że astronomia całkowicie podważyła podstawy oficjalnego światopoglądu cywilizacji zachodniej, w tym również fundamenty władzy. Począwszy od czasów Babilonu aż do epoki Giordana Bruna niebo ze swoimi niezliczonymi gwiazdami i pięcioma błąkającymi się planetami było uważane za sferę boską, niedostępną ludzkiemu poznaniu, z wyjątkiem garstki wybrańców - astrologów i kapłanów w Babilonie, a Kościoła w czasach Giordana Bruna. Spójrzmy, w jaki sposób w II wieku n.e. aleksandryjski uczony Klaudiusz Ptoleme-usz bronił poglądów astronomicznych, zgodnie z którymi Ziemia znajdowała się w centrum Wszechświata, natomiast Słońce i pięć znanych wówczas planet poruszało się po epicy-klach, czyli niedużych kołowych orbitach, krążących ze stałą prędkością po większych okręgach, w których centrum znajdowała się Ziemia. Odpierając zarzuty, podnoszące nienaturalny charakter systemu epicykli, Ptolemeusz twierdził: „Niedopuszczalne jest traktowanie naszej ludzkiej kondycji na równi z kondycją nieśmiertelnych bogów oraz patrzenie na rzeczy święte z punktu widzenia istot, które są zupełnie innej natury.

46 • CZAS MARSA

Nasz pogląd na zjawiska niebieskie musimy zatem kształtować nie w oparciu o zdarzenia zachodzące na Ziemi, lecz raczej na podstawie wewnętrznej natury zjawisk niebieskich i niezmiennego charakteru wszelkich ruchów na niebie". Według Ptole-meusza prawa rządzące sferą niebieską były zupełnie odmienne od praw obowiązujących na Ziemi. Wszechświat był niepoznawalny, niezmienny, a jego opanowanie przez człowieka zdawało się niemożliwe. Skoro boski plan przekracza możliwości ludzkiego poznania, to na temat tego, co jest właściwe i co należy robić, wypowiadać się mogli jedynie kapłani, mający dostęp do sfery mistycznej i ponadnaturalnej.

Sytuacja taka utrzymywała się przez całe stulecia, do czasu pojawienia się myślicieli, którzy rzucili wyzwanie poglądowi, że Wszechświat na zawsze pozostanie poza zasięgiem ludzkiego umysłu. Wszystko zaczęło się od dzieła Mikołaja Kopernika, który w latach 1510-1514 od nowa opracował dawno już zapomnianą teorię heliocentryczną (czyli model Wszechświata ze Słońcem znajdującym się w jego centrum), sformułowaną pierwotnie w III wieku p.n.e. przez greckiego filozofa Arystar-cha z Samos. Zgodnie z teorią heliocentryczną planety poruszały się wokół Słońca po orbitach kołowych. Mimo że koncepcja Kopernika nie tłumaczyła w pełni obserwowanych ruchów planet, była rewolucyjna, a nawet heretycka. Jej piękno, polegające na fundamentalnej prostocie, zostało dostrzeżone przez niektórych współczesnych Kopernikowi uczonych. Jednym z nich był Johannes Kepler.

Kepler, urodzony w 1571 roku, został wychowany na zagorzałego luteranina. Był jednocześnie nieprzejednanym wyznawcą platonizmu, który w racjonalnych zasadach geometrii z pasją poszukiwał prawdziwej natury Wszechświata. Kepler napisał: „Geometria, jako jedyna i wieczna, jest odbiciem umysłu Boga. Ludzkie zrozumienie geometrii stanowi jeden z powodów, pozwalających uznać człowieka za obraz Boga".

Przytoczony cytat stanowi klucz do całej sprawy. Jeśli bowiem intelekt ludzki jest w stanie pojąć naturę Wszechświata, to należy on do tego samego porządku, co umysł boski. Skoro intelekt ludzki należy do tego samego porządku, co bo-

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 47

ski, to wszystko, co wydawało się Bogu racjonalne podczas stwarzania Wszechświata, czyli jego „geometria", może zostać racjonalnie przedstawione również przez umysł ludzki. Jeśli zatem będziemy wystarczająco dociekliwi w myśleniu i poszukiwaniu odpowiedzi, to zdołamy znaleźć rozumowe wytłumaczenie i podstawę wszystkiego. Są to fundamenty nauki, za które Giordano Bruno oddał życie. Kepler postanowił dowieść słuszności takiego założenia i przez to wydobyć z ciemności duszę cywilizacji zachodniej. W osiągnięciu celu w znacznym stopniu pomogła Keplerowi planeta Mars.

W lutym 1600 roku, w miesiącu egzekucji Giordana Bruna, Kepler rozpoczął pracę pod kierownictwem Tychona de Brahe, bez wątpienia najwybitniejszego astronoma swoich czasów. Brahe miał własną teorię Wszechświata i, licząc na potwierdzenie swoich koncepcji, zlecił liczącemu wówczas 28 lat Keplerowi zadanie wyznaczenia orbity Marsa. Po śmierci Tychona de Brahe w październiku 1601 roku Rudolf II, Cesarz Świętego Imperium Rzymskiego, powierzył Keplerowi pieczę nad skarbnicą zebranych przez zmarłego astronoma danych obserwacyjnych, a także wyznaczył mu stanowisko nadwornego astrologa, zajmowane dotąd przez Brahego. W tej sytuacji Kepler mógł już poważnie przystąpić do szturmu Marsa.

Od czasów Arystotelesa wśród astronomów panowało przekonanie, że planety poruszają się jednostajnie po orbitach kołowych, ponieważ okrąg stanowił formę idealną, a jedynie ruch po okręgu zapewniał za każdym razem powrót w to samo miejsce i przez to wieczność ruchu. Mimo usilnych starań Keplerowi nie udało się znaleźć choćby jednej orbity kołowej wśród zebranych przez Tychona danych. Kepler mógłby wprawdzie posłużyć się epicyklami, lecz nie chciał się do tego uciekać. Poszukiwał racjonalnej odpowiedzi, a mnożone ad hoc układy epicykli nie były racjonalne. Jaki jednak kształt, jeśli nie kołowy, mogą przybierać orbity? Kepler potrzebował ośmiu lat intensywnej pracy umysłowej, aby na podstawie zgromadzonych przez Tychona danych obserwacyjnych na temat Marsa dokonać odkrycia: Mars porusza się po orbicie eliptycznej, a Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy. Obecnie wiemy

48 • CZAS MARSA

już, że orbita Marsa jest najbardziej eliptyczną orbitą spośród wszystkich planet (z wyjątkiem Plutona, który jednak został odkryty dopiero w XIX wieku), a przez to stanowi podstawowy sprawdzian każdej teorii astronomicznej. W istocie, jeśli orbita Marsa byłaby kołowa, to teoria Arystarcha/Kopernika zostałaby prawdopodobnie zaakceptowana bez głębszych dociekań.

W 1609 roku Kepler opublikował wyniki swoich badań w pracy zatytułowanej Nowa astronomia, wywiedziona ze związku, przyczynowego, lub fizyka ciai niebieskich, wyprowadzona z badań rucha Marsa, wykonanych na podstawie obserwacji czcigodnego Tychona de Brahe. Kepler oznajmił, że -w przeciwieństwie do opinii większości wcześniejszych astronomów i filozofów - nowa astronomia nie jest jedynie matematycznym modelem wyjaśniającym ruchy ciał na sferze niebieskiej. Epickie w swej istocie, dzieło Kepler a stanowiło raczej traktat o „prawdziwej naturze" nieba, który obalał obowiązujące od dwóch tysiącleci dogmaty, wprowadzając na ich miejsce astronomię odwołującą się do związków przyczynowych. W dziele tym Kepler przedstawił zasady, które dziś znane są jako pierwsze i drugie prawo ruchu planet: po pierwsze, planety poruszają się po orbitach eliptycznych, a Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy; po drugie, wektor promienia wodzącego, skierowany od Słońca ku planecie, zakreśla obszary o równych polach powierzchni w równym czasie. Prawa te znalazły potwierdzenie i obecnie znajdują się w każdym podręczniku mechaniki nieba. Równie ważna okazała się jednak także inna, błędna hipoteza Keplera: że planety są kierowane „siłą magnetyczną", która emanuje ze Słońca i rozchodzi się „w sposób podobny do światła słonecznego". Oponentom, zarzucającym mu mieszanie fizyki z astronomią, Kepler odpowiedział: „Sądzę, że obie te nauki są ze sobą związane tak silnie, iż żadna nie może osiągnąć doskonałości bez pomocy drugiej". Innymi słowy, Kepler nie miał na myśli modelu Wszechświata, charakteryzującego się jedynie przekonującą geometrią. Badał on Wszechświat, w którym związki przyczynowe mogą być zrozumiane w naturalnych, znanych człowiekowi kategoriach; w ten sposób Kepler zmienił status człowieka we Wszechświecie.

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 49

Przedstawiciel gatunku ludzkiego, choć już nie znajdował się w centrum Wszechświata, mógł go zrozumieć. Wszechświat nie tylko, zgodnie z umieszczonym na początku niniejszego rozdziału cytatem z listu Keplera do Galileusza, poddawał się intelektualnemu poznaniu; był również osiągalny fizycznie.

Kepler potrzebował kolejnych dziesięciu lat badań, zanim opublikował swoje arcydzieło: Harmonię świata. Dzieło to obejmuje ostatnie wielkie odkrycie - trzecie prawo ruchu planet, które głosi, że dla każdej planety kwadrat okresu jej obiegu wokół Słońca jest proporcjonalny do sześcianu odległości do Słońca. Kiedy znamy te trzy prawa, stosunkowo łatwo jest wyprowadzić matematycznie zasadę, nazywaną prawem powszechnego ciążenia Newtona. Prawa Newtona stanowią fundament fizyki klasycznej, systemu wiedzy naukowej, który umożliwił dokonanie się w XVIII i XIX wieku rewolucji przemysłowej. Przeprowadzone przez Keplera badania Marsa oznaczały ostateczny koniec ciemnych wieków i nadejście rewolucji przemysłowej oraz naukowej. Można zatem rzec, że pierwsze zetknięcie ludzkości z Marsem było bardzo opłacalne.

Podróże lunetą

Kepler wykorzystał Marsa, by udowodnić, że Ziemia jest planetą. Nasuwał się nieunikniony wniosek, że planety - pozornie małe, wędrujące po niebie światełka - w rzeczywistości były sporych rozmiarów światami, podobnymi do Ziemi. Dotychczas brakowało jednak jakichkolwiek metod badania takich ciał niebieskich. Niecały rok po publikacji Nowej astronomii sytuacja uległa zmianie; badacze dostali odpowiedni przyrząd - skonstruowaną przez Galileusza lunetę, służącą do obserwacji nieba. Galileuszowi wystarczyło parę tygodni obserwacji przez lunetę, by dostrzec łańcuchy górskie na Księżycu i „trzy małe gwiazdki", tańczące wokół Jowisza. Odkrycia przemawiały za wiarygodnością keplerowskiego poglądu na Wszechświat. Nowo skonstruowane lunety szybko skierowano na Marsa.

50 • CZAS MARSA

W 1636 roku włoski astronom Francesco Fontana sporządził pierwsze szkice obrazu tarczy Czerwonej Planety, uzyskanego przez lunetę. Obecnie wiemy, że nie przedstawiały one żadnych znanych utworów powierzchniowych na Marsie. Holenderski astronom Christiaan Huygens wykonał pierwsze rysunki, ukazujące typową marsjańską rzeźbę terenu: znamię o kształcie zbliżonym do trójkąta, znane obecnie jako Syrtis Major. Uważnie obserwując Syrtis Major i inne utwory powierzchniowe na Czerwonej Planecie, astronomowie stwierdzili, że dzień marsjański (noszący nazwę soi) nie odbiega zbytnio długością od dnia ziemskiego. W 1666 roku Włoch Giovanni Cassini wyznaczył długość marsjańskiej doby - 24 godziny i 40 minut, zaledwie dwie i pół minuty więcej od współczesnej wartości: 24 godziny, 37 minut i 22 sekundy. Cassini pierwszy zauważył też czapy lodowe wokół biegunów Marsa, lecz pierwszy rysunek czapy wykonał Huygens w 1672 roku. Wykorzystując obserwacje z lat 1777-1783, William Herschel, odkrywca Ura-na, stwierdził, że na Marsie powinny występować pory roku, gdyż oś biegunowa planety jest nachylona do płaszczyzny orbity o około 30° {obecnie przyjmowana wartość wynosi 24°).

Obserwacje Marsa trwały. Szczególne zainteresowanie wzbudzały opozycje, czyli sytuacje, gdy Mars widziany jest z Ziemi po przeciwnej stronie niż Słońce. Podczas opozycji Mars znajduje się w najmniejszej odległości od Ziemi i dlatego ma największą jasność. Na początku XIX wieku astronomowie dysponowali już zestawem podstawowych danych na temat Marsa: znali okres jego obiegu wokół Słońca, długość dnia, masę i gęstość planety, odległość do Słońca i wartość siły ciążenia na powierzchni planety. Badaczy najbardziej jednak intrygował jej zmienny wygląd. Z czasem, obserwując Marsa przez lunetę, zauważono, że jego powierzchnia jest upstrzona ciemnymi plamami, które pojawiają się i znikają. Podobną zmienność dostrzeżono w przypadku białych czap lodowych wokół biegunów, rozszerzających się lub kurczących w zależności od marsjańskiej pory roku. Czerwona Planeta najwidoczniej miała też atmosferę, a niektórzy astronomowie starali się nawet ustalić, czy nad powierzchnią planety występują chmury.

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 51

Opozycja z 1877 roku okazała się szczególnie owocna dla obserwacji i badań Marsa. Asaph Hali z Obserwatorium Astronomicznego Marynarki Wojennej USA odkrył dwa niewielkie księżyce Czerwonej Planety i nadał im imiona Fobos i Dejmos, czyli „groza" i „strach", niewątpliwie odpowiednie dla towarzyszy boga wojny. W roku 1866 rozpoczął się burzliwy okres w historii badań Marsa, a zarazem jeden z najdziwniejszych okresów w historii astronomii.

W 1877 roku obserwował Marsa przez lunetę również Gio-vanni Schiaparelli, dyrektor Obserwatorium Brera w Mediolanie. Sprawozdanie z obserwacji podaje lokalizację ponad 60 charakterystycznych cech, widocznych na powierzchni Marsa. Obok znanych rysów rzeźby powierzchni Schiaparelli wymienił gmatwaninę podłużnych kształtów, pokrywającą powierzchnię Czerwonej Planety. Dostrzeżonym liniom nadał nazwy ziemskich rzek, m.in. Ganges i Indus, a same kształty w publikowanych pracach określał włoskim słowem canali, oznaczającym koryta rzek lub rowy. Choć już od pewnego czasu znano linie na powierzchni planety, Schiaparelli jako pierwszy zidentyfikował cały ich rozległy system. Po upływie dziesięciu lat Mars trafił na pierwsze strony gazet na całym świecie za sprawą Percivala Lowella, entuzjasty Marsa i tajemniczych podłużnych kształtów na jego powierzchni.

Percival Lowell urodził się w Nowej Anglii w USA w sławnej rodzinie poetów, pedagogów, mężów stanu i przemysłowców (siostra, Amy Lowell, była uznaną poetką, a brat Abbot - rektorem Uniwersytetu Harvarda). Przed czterdziestką Percivala zaintrygował Mars, zwłaszcza zaś obserwacje Schiaparelliego. Zdaniem Lowella, dla którego canali oznaczały nie koryta, lecz kanały, możliwe było tylko jedno wyjaśnienie istnienia tych struktur: stanowią one rezultat pracy istot rozumnych i społecznych, zaawansowanej formy marsjańskiego życia. Z jemu tylko znanych powodów Lowell uznał, że sprawa wymaga od niego całkowitego zaangażowania i postanowił bez reszty się jej poświęcić. Pomocna okazała się zarówno pasja, jak i zasobność portfela, a pod tymi względami niewielu mogło mu dorównać.

52 • CZAS MARSA

W kwietniu 1894 roku w Flagstaff, w Arizonie, na parę tygodni przed przypadającą co dwa lata opozycją Marsa, otwarto Obserwatorium Lowella, zbudowane przez Percivala w celu prowadzenia badań Marsa. W obserwatorium, umiejscowionym na szczycie Mars Hill (Wzgórza Marsjańskiego), Lowell i jego współpracownicy spędzili ponad dziesięć lat, prowadząc obserwacje Czerwonej Planety oraz sporządzając mapy powierzchni, w tym mapy setek kanałów. Percival Lowell sądził, że liczba kanałów i ich skomplikowany układ świadczą o długiej historii walki o przeżycie obcej rasy w jałowym, umierającym świecie.

Wizja ginącej na Marsie rozumnej rasy, która usiłuje zapobiec nieuniknionej zagładzie, zawładnęła publiczną wyobraźnią. Wymowa artykułów Lowella została ponadto wzmocniona za sprawą takich autorów powieści przygodowych, jak Edgar Rice Burroughs, który w marsjańskiej, zapożyczonej od Lowella scenerii umieścił bardzo romantycznie prezentującą się cywilizację. W ojczystym języku mieszkańców Czerwonej Planety nazywała się ona Barsoom. W marsjańskich powieściach Bur-roughsa zawadiaccy herosi spieszą na ratunek odważnym i pięknym księżniczkom, zagrożonym przez potwory, dzikusów i oszalałych na punkcie władzy tyranów. Akcja toczy się na tle bogatej i zróżnicowanej fauny i flory, występującej na planecie Barsoom. Mars według Percivala Lowella, szczególnie zaś jego wcielenie - Barsoom, zachwycił miliony czytelników.

W końcu jednak ani talent Lowella, ani jego entuzjazm ł energia nie wystarczyły, by uzasadnić słuszność głoszonej wizji, ostro krytykowanej przez astronomów. Gdy inni badacze nie mogli dostrzec, używając coraz doskonalszych przyrządów, żadnych kanałów, Lowell zaczął przegrywać. Obecnie wiadomo, że jego rozważania na temat Czerwonej Planety były całkowicie błędne. Mimo to zostawił po sobie cenne dziedzictwo: rozpalił naszą wyobraźnię wizją życia na Marsie. Okazało się wprawdzie, że marsjański świat Lowella zupełnie nie odpowiada rzeczywistości, lecz roztaczane wizje zdołały wzbogacić światopogląd części społeczeństwa - trzysta bowiem lat po odkryciach Keplera społeczeństwo wciąż jeszcze wyznawało

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 53

(i często nadal wyznaje) starożytny i geocentryczny pogląd, zgodnie z którym jedynym możliwym światem jest Ziemia, okrążana przez świecące na nieboskłonie punkciki. Lowell sprawił, że zaczęto sobie wyobrażać, iż Mars jest planetą zamieszkaną, a przecież nierzadko to właśnie wyobraźnia kształtuje rzeczywistość. Lowell zainspirował pionierów budowy rakiet, m.in. Roberta Goddarda i Hermana Obertha, do podjęcia poszukiwań narzędzi, umożliwiających ludzkości bezpośrednie, a nie wyłącznie obserwacyjne, zbadanie Układu Słonecznego. Wraz z sondą Yiking nad skalistą powierzchnią Marsa unosił się niewątpliwie duch Lowella.

Viking szuka życia

Rozwój wydarzeń doprowadził do wysłania na Marsa sond Vi-king. Choć poglądy Lowella dawno się zdezaktualizowały, nie zarzucono idei, że na Marsie mogła znaleźć schronienie jakaś forma życia. Amerykański Mariner 4 - pierwszy statek kosmiczny, który przeleciał w pobliżu Marsa w lipcu 1965 roku -ostatecznie rozwiał wizję Czerwonej Planety, nakreśloną przez Lowella: na przekazanych obrazach widać było jałową, pokrytą kraterami powierzchnię, bardziej przypominającą Księżyc niż planetę Barsoom. Zawód spotkał osoby żywiące nadzieję na otrzymanie pozdrowień od odległych form życia, gdyż sceneria była raczej pogrzebowa - stara, wymarła planeta, „kosmiczna skamieniałość", jak napisał autor powieści fantastycznonau-kowych Arthur C. Clarke. Latem 1969 roku sondy Mariner 6 i Mariner 7 potwierdziły wszystko co do joty. Eksperymenty naukowe powtórzyły wyniki badań atmosfery uzyskane przez Marinera 4 - ciśnienie atmosferyczne bogatej w dwutlenek węgla atmosfery marsjańskiej wynosiło tylko 6-8 milibarów. (Mi-libar to jedna tysięczna część bara, czyli wartość ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza na Ziemi. Ciśnienie około 7 milibarów jest zatem bardzo niskie, odpowiada atmosferze o gęstości poniżej 1% gęstości ziemskiej atmosfery). Pomiar temperatur w okolicach bieguna południowego Marsa potwier-

54 • CZAS MARSA

dził, że czapy biegunowe składają się z suchego lodu, tj. zamrożonego dwutlenku węgla. Obraz Marsa, uzyskany na podstawie obserwacji przelatujących w pobliżu planety Marinerów, był następujący: planeta zimna, wymarła i pokryta kraterami; a więc sceneria nie zachęcająca do dłuższego pobytu. I wtedy właśnie wysłano Marinera 9.

Mariner 9, w przeciwieństwie do poprzednich amerykańskich statków, miał wejść na orbitę wokół Marsa. Poprzednie sondy jedynie przemykały w pobliżu Czerwonej Planety, robiąc w trakcie przelotu zdjęcia i zbierając dane. Do głównych zadań Marinera 9 i statku towarzyszącego należało sporządzenie map powierzchni Marsa oraz obserwowanie przez sześćdziesiąt dni zachodzących na nim zjawisk. Statek towarzyszący, Mariner 8, spadł, niestety, do Atlantyku wkrótce po starcie, który odbył się wiosną 1971 roku. Mariner 9 wystartował bez żadnych usterek 30 maja i ruszył w stronę Marsa; parę dni wcześniej Rosjanie wysłali Marsa 2 i Marsa 3, z których każdy składał się z orbitera i ładownika. Na pokładach lecących statków już nic niezwykłego się nie wydarzyło - w przeciwieństwie do samego Marsa.

Mniej więcej dwa miesiące przed zaplanowanym przybyciem sond, 22 września, astronomowie zauważyli nad marsjańskim regionem Noachis błyszczącą, białą chmurę, rozprzestrzeniającą się z ogromną prędkością. W ciągu paru dni chmura -dziś wiemy, że była to burza pyłowa - ogarnęła całą planetę. Czerwona Planeta okryła się całunem dokładnie wtedy, gdy zbliżały się do niej sondy, wyposażone w elektroniczne „oczy". Zdjęcia Marsa z dużej odległości, wykonane przez Marinera 9 w dniach 12 i 13 listopada, przedstawiają tarczę pozbawioną jakichkolwiek szczegółów, za wyjątkiem małego rozjaśnienia w okolicy bieguna południowego i paru małych, ciemniejszych plamek powyżej równika. Mariner 9 wszedł na orbitę około-marsjańską 14 listopada 1971 roku. Sondzie ukazała się planeta pozbawiona jakichkolwiek rysów czy kształtów. Kontrolerzy lotu zmodyfikowali plan działania - polecili przeprowadzić niektóre eksperymenty naukowe i zrobić trochę zdjęć, lecz w gruncie rzeczy statek miał przyhamować i przeczekać burzę.

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 55

W przeciwieństwie do Marinera radzieckie sondy Mars 2 i Mars 3 nie mogły zmienić programu badań. Po przybyciu na Marsa, zgodnie z planem, orbitery wysłały ładowniki w otchłań największej marsjańskiej burzy pyłowej, jaką dotąd zaobserwowano. Ładowniki opadały na spadochronach w atmosferze smaganej wiatrami, wiejącymi z prędkością 160 km/h, po czym oba uderzyły o powierzchnię planety zbyt silnie, by mógł je uratować zastosowany układ hamujący, wykorzystujący poduszki powietrzne. Mars 2 od razu roztrzaskał się o powierzchnię; Mars 3 jeszcze 20 sekund po uderzeniu przekazywał dane, po czym także zamilkł.

Radzieckim orbiterom nie powiodło się wiele lepiej. Prawie wszystkie dane z misji Marsa 2 zostały stracone z powodu błędów telemetrycznych. Mars 3 natomiast wszedł na skrajnie eliptyczną orbitę wokół Czerwonej Planety i dostarczył tylko jedną nadającą się do opublikowania fotografię.

Podczas gdy szalała burza pyłowa i radzieckie sondy kolejno spotykał tragiczny koniec, Mariner 9 spokojnie krążył dookoła Marsa, cierpliwie czekając na poprawę pogody i opadnięcie pyłów. W końcu grudnia 1971 i na początku stycznia 1972 roku niebo nad Marsem zaczęło się przejaśniać i Mariner rozpoczął przekazywanie zdumiewająco ostrych obrazów powierzchni Czerwonej Planety.

Dostrzeżone przez Marinera z oddali plamki okazały się ogromnymi górami, tak wysokimi, że ich wierzchołki były widoczne nawet podczas burzy pyłowej. Sto lat wcześniej astronomowie zauważyli jasny obszar w rejonie największego z tych masywów górskich i nazwali go Nix Olympica, czyli Śniegi Olimpu. Określenie nad wyraz trafne, ponieważ Nix Olympica, przemianowana na Olympus Mons, czyli Olimp, okazała się największą górą w całym Układzie Słonecznym - wznosi się na wysokość około 24 km nad powierzchnię Marsa i zajmuje obszar równy powierzchni stanu Missouri (czyli około 180 tyś. km2). Inny rejon Marsa dobrze znany astronomom, Coprates, również krył niespodzianki. Przez lunetę wyglądał jak ciemne karczowisko, wyraźnie widoczny był pas o konsystencji jakby chmur. Gdy marsjańskie niebo się przejaśniło, naukowcy śle-

56 • CZAS MARSA

dzący na żywo transmisję z Marinera zrozumieli, że obserwują chmurę pyłu, osiadającą powoli na dnie doliny o równie olimpijskich rozmiarach, noszącej obecnie - na cześć Marinera 9 -nazwę Yalles Marineris. Dolina stanowi nierówną, poszarpaną bliznę ciągnącą się przez prawie 4000 km, o szerokości do 200 km i głębokości 6 km. Jest większa od wszelkich podobnych form na powierzchni Ziemi - w wielu bocznych odgałęzieniach Yalles Marineris można by całkowicie schować Góry Skaliste.

Każde kolejne okrążenie Marsa przez Marinera przynosiło coraz więcej danych. Największą niespodzianką okazało się jednak odkrycie wijących się kanałów (tak, kanałów!) wyglądających na ukształtowane przez płynącą wodę koryta rzeczne.

Mariner 9 zdołał wskrzesić wiele marzeń, uśmierconych przez odkrycia poprzednich sond. Statek potwierdził też część wyników, uzyskanych przez wcześniejsze Marinery, część jednak podważył, w tym koncepcję, że Mars jest podobny do Księżyca. Wyobraźmy sobie, że Mars jest podzielony na dwie części linią biegnącą pod kątem około 50° względem równika planety. Na południe od tej linii znajdują się - pokryte kraterami -stare obszary, dostrzeżone i zbadane przez Marinery 4, 6 i 7. Na północ od tej linii występuje niewiele kraterów, lecz obfite są dowody niedawnej aktywności geologicznej. Tak się akurat złożyło, że pierwsze trzy Marinery odwiedziły południe planety i nie przekazały żadnych informacji, mogących wskazywać na charakter drugiej półkuli. Obrazy z Marinera 9 (było ich ponad 7000) i przekazane przez niego dane doprowadziły do odrzucenia koncepcji Marsa jako „skamieniałości kosmicznej" i ukazały planetę lodu i ognia. W odległej przeszłości powierzchnia Czerwonej Planety była aktywna geologicznie, wulkany z hukiem przekształcały duże obszary jej powierzchni. Jakiś rodzaj wewnętrznej aktywności doprowadził do powstania pęknięć i uskoków powierzchni, wynosząc obszar Tharsis (gdzie znajduje się najwyższa góra, Olympus Mons) wiele kilometrów nad powierzchnię planety. Na Marsie woda występowała wystarczająco długo i obficie, by wyrzeźbić jego oblicze. Mars był niegdyś planetą wilgotną, ciepłą, żywą i geologicznie aktywną, dlatego rodzi się pytanie, czy kiedykolwiek w przeszłości

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 57

zachodziła tam również aktywność biologiczna - i czy przetrwała do dziś.

Odpowiedź na to pytanie wymagała od astronomów i biologów cofnięcia się od problemu „życia na Marsie" do prostszego, lecz wciąż złożonego zagadnienia samego życia. Czym jest życie? Jeśli mamy problemy z jego zdefiniowaniem, z rozróżnieniem pomiędzy formami żywymi a nieożywionymi na Ziemi, to nieporównywalnie trudniejszym zadaniem będzie uczynienie tego na planecie oddalonej o 400 min km. Zatem poszukiwania życia na Marsie rozpocząć trzeba od przeglądu form życia ziemskiego, jedynej znanej nam próbki życia w całym Wszechświecie. Życie na Ziemi, choć występuje we wszelkich możliwych formach, kształtach i rozmiarach, zawsze powoduje jakieś zmiany w lokalnym środowisku. Zmiany takie mogą być nieznaczne, szczególnie jeśli zajmujemy się formami niewielkimi. Niezależnie jednak od rozmiarów organizmów, zawsze powodują one zmiany w otoczeniu z powodu przemiany materii i oddychania - złożonych procesów fizycznych i chemicznych, podtrzymujących życie. Jeśli zamkniemy w szczelnym pomieszczeniu mieszaninę gazów, to po upływie dowolnego okresu skład mieszaniny pozostanie niezmienny (pod warunkiem, że gazy nie uchodzą ze zbiornika przez ścianki). Wpuszczenie do takiego samego pomieszczenia kota szybko spowoduje zmianę składu mieszaniny (jak też zmianę stanu samego kota). Poszukiwanie oznak życia może polegać na stworzeniu kontrolowanego otoczenia, umieszczeniu w nim zebranych próbek i obserwowaniu zachodzących zmian, chemicznych bądź fizycznych. Z dużym prawdopodobieństwem wszelkie znaczące zmiany można przypisać procesom biologicznym. Tę właśnie metodę wybrali naukowcy opracowujący misję Yiking.

Projekt Yiking charakteryzował się znacznym stopniem prostoty - dwa orbitery i dwa ładowniki, start na Marsa zaplanowany na rok 1973 -jednak jego realizacja napotkała ogromne trudności. Cięcia budżetowe doprowadziły do opóźnienia startu o dwa lata, co okazało się później prawdziwym błogosławieństwem, gdyż statek kosmiczny nie byłby po prostu gotów w 1973 roku bez „pójścia na kompromisy zarówno pod wzglę-

58 • CZAS MARSA

dem możliwości, jak i wiarygodności" - jak stwierdził jeden z członków zespołu.

Cztery statki Yiking najeżone były przyrządami do rejestracji i przekazywania obrazów, poszukiwań wody i pary wodnej, obserwacji termicznych, a także przyrządami sejsmologicznymi, meteorologicznymi i wieloma innymi, jednak serce misji stanowiły zestawy biologiczne ładowników. Inżynierowie z zespołu Yiking zdołali zmieścić trzy laboratoria biologiczne w urządzeniu ważącym mniej niż 9 kg i mieszczącym się swobodnie na półce na książki.

Trzy eksperymenty biologiczne wykorzystywały tę samą zasadę - należało pobrać z powierzchni trochę marsjańskiego mułu i zamknąć w pojemniku, zawierającym pożywkę, a następnie poddać próbkę działaniu różnych warunków; pomiary powinny określić ilość gazów emitowanych lub absorbowanych. Eksperymenty różniły się między sobą przyjętymi sposobami inkubacji próbek; każdy z nich miał też poszukiwać innego rodzaju śladów życia. Na pokładzie ładowników Yiking znajdował się również przyrząd fluorescencyjno-rentgenowski do wyznaczania składu chemicznego i zawartości pierwiastków w glebie oraz spektrometr masowy do chromatografii gazowej (GCMS, od ang. Goś Chromatograph Mass Spectrometer), służący do wykrywania i oznaczania związków organicznych w glebie.

Poszukiwania życia rozpoczęto ósmego dnia pobytu Yikinga l na Marsie: ósmego solą czasu lokalnego, 28 czerwca 1976 czasu ziemskiego, ładownik wysunął ramię, służące do pobierania próbek, przeciągnął nim po powierzchni planety i zebrał okru-chy gleby do pakietów biologicznych. Trzy eksperymenty biologiczne otrzymały swoje porcje i zostały uruchomione. Niewiarygodne, lecz w ciągu następnych trzech dni okazało się, że podczas wszystkich trzech eksperymentów zaobserwowano silne uwalnianie gazów - oznakę występowania życia. W niektórych przypadkach gazy były uwalniane niemal natychmiast po wystawieniu pożywki na działanie marsjańskiej gleby.

Zespół biologów misji Yiking był oszołomiony - trzy eksperymenty, trzy pozytywne wyniki, trzy oznaki występowania ży-

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 59

cia... Fakt uwalniania gazów został stwierdzony bezspornie, jednak nagłe rozpoczęcie i zakończenie tych procesów przywodziło na myśl raczej ciąg reakcji chemicznych niż zjawisko biologicznego wzrostu. Należało postępować ostrożnie. Odkrycie istnienia życia w dowolnym miejscu Układu Słonecznego wywarłoby olbrzymi wpływ nie tylko na świat nauki, lecz na całą cywilizację. Podobnie jak w czasach Keplera, ludzkość poznałaby lepiej swoje miejsce we Wszechświecie. Dowiedzielibyśmy się, że nie znajdując się w centrum świata, stanowimy część zjawiska życia, w które obfituje cały Wszechświat. Przekonalibyśmy się, że życie posiadło Wszechświat. To poważna sprawa.

Żaden z biologów misji Yiking nie spieszył się z ogłaszaniem odkrycia, gdyż mogłoby się to okazać przedwczesne. Przeważało podejście konserwatywne, a wielu biologów żywiło poważne podejrzenia, że zaobserwowane procesy nie mają charakteru biologicznego. Norman Horowitz, jeden z najważniejszych biologów misji Yiking, jasno przedstawił grupce dziennikarzy swoje stanowisko podczas konferencji prasowej: „Pragnę podkreślić, że nie znaleźliśmy życia na Marsie. Powtarzam: nie znaleźliśmy".

Gdy nadszedł soi dwudziesty trzeci, spektrometr GCMS przeanalizował próbkę marsjańskiej gleby i nie odnalazł nawet śladowej obecności organicznych związków węgla. Po zjawiskach zaobserwowanych podczas trzech eksperymentów biologicznych stanowiło to nie lada niespodziankę i przyczyniło się do dalszego zaostrzenia dyskusji. Naukowcy spodziewali się, że spektrometr odnajdzie przynajmniej ślad związków organicznych pochodzenia niebiologicznego - na przykład z meteorytów. Dotykamy tu kontrowersyjnej kwestii, związanej z użyciem spektrometru GCMS: sposobu odróżnienia związków organicznych pochodzenia biologicznego od związków organicznych pochodzenia niebiologicznego. Skoro jednak i tak spektrometr nie odkrył w marsjańskiej glebie żadnych związków organicznych, poszukiwania życia na Marsie zmieniły charakter i stały się poszukiwaniami procesów, które pozwoliłyby pogodzić fakt ewidentnego braku życia na Marsie z wynikami eksperymentów biologicznych.

60 • CZAS MARSA

Trzeciego września sonda Yiking 2 wylądowała na Utopia Planitia, w odległości prawie pół obwodu planety, czyli około 6400 km i 25° szerokości na północ od miejsca lądowania Yikinga 1. Szybko uruchomiono eksperymenty biologiczne i spektrometr. Gleba zdawała się być nieco bardziej wilgotna niż na Chryse Planitia. Podobnie jak i tam, spektrometr nie wykrył śladów węgla organicznego, a eksperymenty biologiczne dały pozytywne rezultaty, które bywały interpretowane raczej jako skutek procesów chemicznych. Ponownie powstało zamieszanie wokół wyników, które część badaczy tłumaczyła procesami biologicznymi, a część chemicznymi. Kolejny więc raz rezultaty eksperymentów przysłoniły podstawowy problem: sondy Yiking mogły wykonać jedynie cztery eksperymenty, z których trzy dały wyniki „dopuszczające" występowanie życia, a z jednego wynikało, że istnienie życia jest „bardzo wątpliwe". Gdyby próbki gleby z Marsa znalazły się w ziemskim laboratorium, można by je poddać jeszcze dziesiątkom innych testów, które pomogłyby ostatecznie wyjaśnić wątpliwości. Na Ziemi próbki mogłyby nawet zostać inkubowane w pożywce, przebieg doświadczenia zaś obserwowano by bezpośrednio pod mikroskopem. Niestety, w warunkach laboratorium pokładowego Yikinga, pozwalającego na przeprowadzenie jedynie czterech eksperymentów, nie było takich możliwości. Skończyło się więc na zasadniczo sprzecznych rezultatach. Leonard David napisał: „Yiking poleciał na Marsa i zapytał, czy jest tam życie, a Mars odpowiedział: »Czy możecie przeformułować pytanie?«"

Obecnie większość uczonych - choć wcale nie wszyscy -uważa, że Yiking nie znalazł żadnych dowodów wskazujących na występowanie życia na Marsie. Uznano, że zaobserwowaną sprzeczność wyjaśnia teoria, w myśl której w marsjańskiej glebie występuje wiele nadtlenków i ponadtlenków. Wyniki przynajmniej dwóch z trzech eksperymentów biologicznych Yikinga są świadectwem procesów chemicznych, zachodzących z udziałem nadtlenków. Teoria nadtlenków i ponadtlenków tłumaczyłaby również niezarejestrowanie węgla organicznego w żadnym z miejsc lądowania, gdyż nadtlenki niszczą komplet-

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 61

nie materię organiczną. Wyjaśnienie takie nie wszystkich jednak satysfakcjonuje, gdyż spektrometr mógł być nie dość czuły, by wykryć śladowe ilości związków organicznych, czyli życia. Hodowla na Yikingu pozwoliłaby ewentualnym rozsianym przetrwalnikom prędko rozwinąć się na dużą skalę i przekazać sygnał istnienia. Gwałtowne zakończenie procesów, zachodzących podczas eksperymentów biologicznych, tłumaczone jako skutek wyczerpania się zapasów nadtlenków przez zwolenników hipotezy chemicznej, ma także swoje wyjaśnienie biologiczne: mogło dojść do samozniszczenia nadmiernie rozmnożonych organizmów, zatruwających się własnymi odpadami. Naukowiec kierujący programem eksperymentów biologicznych, zwanym Lobeled Releose (LR), Gilbert Levin, do dziś jest mocno przekonany, że jego badania dostarczyły dowodów występowania życia na Marsie. W dziesięć lat po lądowaniu sond Yiking Levin napisał: „[...] po latach laboratoryjnych prac, poświęconych powtórzeniu rezultatów z Marsa za pomocą niebiologicznych metod, korzystając z zalet analizy naukowej, dochodzimy do wniosku, że prawdopodobieństwo, iż podczas eksperymentów LR wykryto obecność żywych organizmów, jest wyższe od prawdopodobieństwa przeciwnej interpretacji. Nie jest to nasza opinia, lecz stanowisko przyjęte w wyniku obiektywnej oceny wszelkich dostępnych danych naukowych, związanych z tą kwestią".1 Zaledwie dwadzieścia lat wcześniej inny członek zespołu biologicznego, Norman Horowitz, w tekście, znajdującym się w tym samym tomie, napisał: „Zdaniem niektórych Mars zawsze będzie planetą zamieszkaną, bez względu na dostępne dane. [...] Nie trzeba długo się rozglądać, by spotkać się z opinią, że gdzieś na Marsie znajduje się rajski ogród - ciepłe i wilgotne miejsce, gdzie kwitnie życie. Są to jednak tylko sny na jawie".2

1 G. Levin: „A Reappraisal of Life on Mars". D. B. Reiber (red.), The NASA Mars Conference, tom 71, Science and Technology Series of American Astronautical Society, Univelt, San Diego 1988.

2 N. Horowitz: „The Biological Question of Mars". D. B. Reiber (red.), 1 hę NASA Mars Conference, tom 71, Science and Technology Series of American Astronautical Society, Univelt, San Diego 1988.

62 • CZAS MARSA

Moim zdaniem Horowitz jest zbyt surowy w ocenie możliwości występowania życia na Marsie, Levin natomiast zbyt entuzjastyczny. Najprawdopodobniej Yikingi nie wykryły życia w powierzchniowej warstwie marsjańskiej gleby. Spowodowane jest to nieobecnością wody w postaci ciekłej oraz prawie całkowitym brakiem substancji organicznych. Choć więc można wieść hipotetyczny spór, dotyczący „rozsianych przetrwal-ników", niemożliwe jest skonstruowanie racjonalnej teorii, wyjaśniającej funkcjonowanie i cykl życiowy takich domniemanych marsjańskich organizmów. Ponadto warstwa ozonowa w atmosferze Marsa jest bardzo cienka, a zatem powierzchnia planety pławi się w słonecznym promieniowaniu ultrafioletowym o wystarczająco dużym natężeniu, by wystery-lizować ją z wszelkich mikroorganizmów. Pomimo opinii Horo-witza warunki takie nie wykluczają możliwości istnienia mikrobiologicznego „rajskiego ogrodu" pod powierzchnią planety. Dzięki obserwacjom ziemskich organizmów wiemy, że życie rozkwita nie tylko w sprzyjających, „rajskich" środowiskach, lecz również w warunkach iście piekielnych. Istnieją na przykład rodziny bakterii chemosyntetyzujących, które czerpią energię z rozmaitych nieorganicznych substancji chemicznych - a nie ze światła słonecznego (jak rośliny) lub organicznych substancji odżywczych (jak m.in. człowiek). Pewna niewielka grupa bakterii przystosowała się do egzystencji w temperaturze 70-90°C i żyje sobie, zaspokajając zapotrzebowanie na energię poprzez utlenianie siarki; w środowisku pod powierzchnią Marsa prawdopodobnie czułaby się jak w domu. Badania wykazały, że na naszej Ziemi, w najbardziej nawet skrajnych warunkach, egzystują żywe organizmy, które zadowalają się skąpymi zasobami. Kolonie porostów żyją na skałach powierzchniowych na Antarktydzie, chronione mniej więcej centymetrową warstwą porowatego piaskowca. Spore kolonie mikroorganizmów dobrze sobie radzą w pobliżu znajdujących się na dnie oceanicznym otworów hydrotermalnych, z których biją fontanny wrzącej, bogatej w minerały wody. Istnieją organizmy, żyjące w otoczeniu wyłącznie gorącym albo zimnym, oraz organizmy przystosowane jedynie do środowiska

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 63

zasadowego albo kwasowego; jedne odżywiają się siarką, inne żelazem, a jeszcze inne wodorem. Życie ma zdolność przystosowania do skrajnie nieprzyjaznych warunków, a także zdolność przetrwania bardzo długich okresów. Pod koniec lat osiemdziesiątych brytyjscy naukowcy odkryli, że halobakterie - grupa drobnoustrojów odpornych na sól - mogą przeżyć nawet wiele miesięcy, zamknięte w krysztale soli. Fakt ten zaintrygował badaczy na tyle, że pobrali próbki z naturalnych podziemnych złóż soli sprzed 230 milionów lat, z okresu permu. Wewnątrz kryształów soli odkryli malutkie, wypełnione płynem jamki, a w niewielkiej części z nich (6 na 350) znaleźli zdolne do życia halobakterie, które można było hodować w laboratorium pomimo upływu ponad 200 milionów lat.3

Wszystkie stworzenia, duże i małe, żyjące w skrajnie nieprzyjaznych środowiskach mają pewną wspólną cechę: w środowisku musi znajdować się źródło wody, choćby nawet bardzo skromne. Zebrano przekonujące dowody na występowanie na Marsie w odległej przeszłości wód zarówno powierzchniowych, jak i podpowierzchniowych, co przemawia za dopuszczeniem możliwości pojawienia się tam życia w przeszłości oraz, być może, także obecnie w jakimś nieoczekiwanym rajskim ogrodzie. Następujące środowiska stanowiłyby przyjazne schronienie dla form życia: gorące źródła, podpowierzchniowe „gorące punkty", podpowierzchniowe pokłady wiecznej zmarzliny, solanki podpowierzchniowe lub znajdujące się w pobliżu powierzchni, a przypuszczalnie nawet obszary z pozostałościami wietrzenia, takimi jak złoża soli, które przez całe miliony lat służyły za schronienie ziemskim mikrobom. Wielu geologów uważa, że na Marsie, a przynajmniej na niektórych jego obszarach, na głębokości około kilometra pod powierzchnią planety, występują zasoby ciekłej wody. Być może w odległej przeszłości, gdy na Marsie było ciepło i wilgotno, na powierzchni wy-ewoluowało życie, lecz później musiało szukać schronienia pod powierzchnią. Grupa badaczy ze stanu Washington w USA

3 J. Postage: The Outer Reaches of Life. Cambridge University Press, Cambridge 1988.

64 • CZAS MARSA

odkryła ostatnio gatunek bakterii, które żyją głęboko pod powierzchnią Ziemi i energię życiową czerpią z reakcji zimnej wody gruntowej z bazaltem. Nie ma żadnych powodów, dla których podobne organizmy nie miałyby równie skutecznie przetrwać w hipotetycznym marsjańskim środowisku podpo-wierzchniowym. Chodzi o to, że żywe organizmy potrafią przetrwać w krańcowo ciężkich warunkach, nawet jeśli trudno je odnaleźć na Marsie. Nikt już nie spodziewa się odkrycia gromad sześcionożnych Barsoomian, pędzących z hukiem po marsjańskich wydmach. Sytuacja wygląda jednak inaczej w przypadku mikroorganizmów, żyjących w osłoniętych środowiskach. Występowania takich form życia na Marsie obecnie lub w przeszłości nie można wykluczyć. Do rozwiązania zagadki nie wystarczą jednak wyłącznie oczy zdalnie sterowanych robotów - na Czerwonej Planecie nie obejdzie się bez ludzkich rąk i oczu.

Po misji Yikingów

Orbitery oraz ładowniki sond Yiking kontynuowały badania Marsa jeszcze przez długi czas po zakończeniu eksperymentów biologicznych. Ostatnia transmisja z orbitera Yiking 2 została nadana 25 lipca 1978 roku, natomiast ładownik Yiking 2 zamilkł 11 kwietnia 1980 roku, prawie dwa lata później. Jeszcze dłużej, do 17 sierpnia 1980 roku, nadawał orbiter Yiking l, natomiast ostani przekaz z jego ładownika pochodzi z 5 listopada 1982 roku. Od tego momentu Czerwona Planeta milczy.

W 1988 roku w ramach radzieckiego programu badania przestrzeni kosmicznej podjęto nieudaną próbę wysłania dwóch statków na Marsa i jego księżyce.4 Żadna z ponad piętnastu radzieckich i rosyjskich wypraw nie przebiegła naprawdę pomyślnie (a większość z nich skończyła się fatalnym nie-

4 Mowa o misji Fobos (Phobos), w której wzięły udział dwie sondy bezzałogowe Fobos l i 2; utracono z nimi kontakt w latach 1988-1989, przed rozpoczęciem realizacji głównych celów misji (przyp. red.).

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 65

powodzeniem). W trakcie realizacji amerykańskiego programu badań Marsa także zdarzały się potknięcia. Statek Mars Obser-uer przewoził siedem przyrządów do prowadzenia obserwacji przez cały marsjański rok. Naukowcy mieli nadzieję, że dzięki tym wynikom możliwe będzie gruntowne zrewidowanie naszej wiedzy o Marsie, lecz statek nieoczekiwanie zamilkł, zaledwie na parę dni przed wejściem na orbitę wokół Czerwonej Planety. Inżynierowie, starający się zrekonstruować przebieg wydarzeń, podejrzewają, że doszło do przebicia izolacji przewodu paliwowego w momencie, kiedy statek przygotowywał się do odpalenia silników, by wejść na orbitę. Tak czy inaczej, niezależnie od rzeczywistych powodów, po siedemnastoletniej przerwie amerykański program badań Marsa zdawał się zmierzać ku hibernacji.

Na szczęście niepowodzenie misji Mars Obseruer nie posłużyło za pretekst do radykalnego obcięcia budżetu NASA na badania Marsa. Amerykańscy kongresmeni przychylnie odnieśli się do projektu kontynuacji badań, których symbolem stały się Yikingi, jednak w oparciu o zmienioną koncepcję. Zwracając się ku „szybszym, tańszym i lepszym" metodom badania planet oraz wykorzystując wnioski, płynące z niepowodzenia misji Mars Obsewer, NASA opracowała dziesięcioletni program badań Marsa. Obecnie amerykańskie plany przewidują, zamiast wysłania jednego ogromnego statku, wystrzelenie kilku niewielkich sond kosmicznych, krążących po orbicie dookoła Marsa i lądujących na jego powierzchni. Statek Mars Global Surueyor wystartowałby jako pierwszy, a zaraz po nim - Mars Pathjinder.5 Mars Global Surueyor, statek o połowę mniejszy od Mars Observera, mógłby przystąpić do fotografowania i sporządzania map powierzchni Czerwonej Planety z orbity biegunowej w styczniu 1998 roku. Ciekawych danych na temat powierzchni Marsa powinien dostarczyć statek Mars Pathjinder, który jest próbnym pojazdem technicznym. Jego lądo-

5 Oba starty się powiodły: Mars Global Surveyor wyruszył ku Marsowi w listopadzie, a Mars Pathjinder - w grudniu 1996 roku i wylądował na powierzchni planety 4 lipca 1997 roku (przyp. red.)-

66 • CZAS MARSA

wanie na powierzchni Marsa przewidziano na 4 lipca 1997 roku (Dzień Niepodległości) - z użyciem spadochronów, rakiet hamujących i poduszek powietrznych. (Długo można by mówić, dlaczego zdecydowano się na lądowanie w radzieckim stylu, wziąwszy pod uwagę nieprzerwane pasmo awarii worków powietrznych. Tym razem jednak wszystko powinno zadziałać sprawnie). Jeśli pojazd nie popsuje się podczas kilkakrotnych odbić od marsjańskiej powierzchni, zachodzących z prędkością 60-100 km/h, otworzy się i wypuści niewielkiego rovera (nazwanego Spjourner, na cześć działaczki ruchu przeciw niewolnictwu SojournerTruth), przeznaczonego do zbierania danych na temat chemicznych i geologicznych własności powierzchni w okolicach miejsca lądowania. Zgodnie z planem następne ładowniki i orbitery powinny zostać wysłane w latach: 1998, 2001 i 2003. Pomimo niepowodzenia misji Mars Obseruer statki te, dzięki opracowaniu w JPL pewnych nowych rozwiązań, będą znów wykorzystywać układ kontrolowanego miękkiego lądowania, jak sondy Yiking.

Nie tylko Stany Zjednoczone są zainteresowane kontynuacją badań Marsa. Rosyjski program badań kosmicznych od lat już planuje wyprawy na Marsa, jednak żadna z nich nie doszła do skutku, przy czym spowodowane jest to ograniczeniami budżetowymi, a nie problemami merytorycznymi. Jedna z takich misji, początkowo nosząca nazwę Mars 94, a obecnie już Mars 96 (choć równie dobrze może się to zmienić na 98 lub 2001), ma polegać na umieszczeniu statku kosmicznego na orbicie wokół Marsa oraz, na powierzchni planety, dwóch niewielkich stacji badawczych i dwóch penetratorów - instrumentów, które po dotarciu na powierzchnię dosłownie wwiercą się w grunt. Niezobowiązujące plany drugiej misji, Mars 98, przewidują wysłanie na planetę orbitera, rovera i balonu. Rosyjski rover Marsochod przewyższy swojego amerykańskiego odpowiednika, oddalającego się jedynie 10 m od miejsca lądowania, gdyż będzie mógł przejechać prawie 50 km. Wyprodukowany przez francuską agencję kosmiczną CNES balon, ciągnący „wąż" wypełniony przyrządami pomiarowymi, w ciągu dnia wzbijać się będzie na wysokość 4 km w marsjańskiej

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 67

atmosferze, a w nocy trzymać się będzie bliżej powierzchni planety. Niesiony wiatrem balon, który zgodnie z oczekiwaniami przetrwa zaledwie dziesięć dni, błąkając się nad powierzchnią Marsa, będzie jednak mógł pokonać parę tysięcy kilometrów. Wziąwszy pod uwagę, że słaniająca się rosyjska gospodarka wciąż oscyluje między stagnacją a kolapsem, można sądzić, że obie planowane wyprawy będą odkładane lub zostaną całkowicie zaniechane.6

Jedną z koncepcji misji na Marsa, rozważaną obecnie w Stanach Zjednoczonych, jest marsjańska platforma powietrzna (MAP, ang. Mars Aerial Platform), program opracowany przeze mnie i moich współpracowników z Martin Marietta. MAP to projekt niskobudżetowej wyprawy na Marsa, której rezultatem byłyby dziesiątki tysięcy zdjęć powierzchni Marsa o wysokiej rozdzielczości, analizy i mapy globalnych układów atmosferycznych oraz wyniki badań powierzchni i warstw pod-powierzchniowych, przeprowadzonych metodą teledetekcji. Kluczowym pomysłem koncepcji MAP jest wykorzystanie najnowocześniejszej techniki w połączeniu z balonami - obiektami z natury bardzo nieskomplikowanymi.

Projekt MAP wygląda następująco. Jedna rakieta nośna typu Delta (zdolna wysłać na Marsa ładunek 1000 kg) wystarczy, by skierować sprzęt projektu MAP na bezpośrednią trajektorię Ziemia-Mars. Ładunek składałby się ze statku kosmicznego, zawierającego osiem kapsuł, które byłyby wyposażone w balon, sprzęt do rozwinięcia spadochronu oraz gondolę z przyrządami pomiarowymi. Dziesięć dni przed dotarciem na Marsa statek kosmiczny, kręcąc się jak bąk, wypuści kapsuły w odpowiednich kierunkach, by zapewnić ich dotarcie do znacznie od siebie oddalonych miejsc. W momencie wejścia kapsuły w atmosferę rozwinie się spadochron, spowalniający opadanie kapsuły aż do wypełnienia balonu. Balony zostałyby wykonane z dostępnego na rynku materiału, zwanego dwuosiowym nylonem 6, grubości zaledwie 12 mikrometrów, czyli jednej trzeciej grubości zwykłej plastikowej torby. Pomimo zni-

6 Patrz: przypis na stronie 7 (przyp. red.)-

68 • CZAS MARSA

kornej grubości materiał ten jest bardzo odporny i wytrzymały, w przeciwieństwie do baloników urodzinowych. Proces wytwarzania materiału gwarantuje, że nie występują żadne pory -dzięki temu balon będzie szczelny przez parę miesięcy, a może nawet lat. Po wypełnieniu balonu powietrzem spadochron, kapsuła ł sprzęt do rozwinięcia spadochronu kolejno odpadają, zapewniając miękkie lądowanie zestawu meteorologicznego na powierzchni. Uwolnione od balastu balony mogą już rozpocząć kilkusetdniową wędrówkę po Marsie trasami wiejących ciągle wiatrów.

Balony o średnicy 18 m sunąć będą nad powierzchnią Marsa na stałej wysokości około 7-8,5 km niezależnie od pory dnia, w przeciwieństwie do francuskich balonów, zaprojektowanych na wyprawę Mars 98. Stanie się to możliwe dzięki zastosowaniu nowoczesnego materiału oraz niedużym rozmiarom aparatury (gondola jest bardzo lekka dzięki zaawansowanej technice miniaturyzacji): balony będą wystarczająco wytrzymałe, by nie zaszkodził im wzrost ciśnienia zawartego w nich gazu wskutek ogrzewania. Zatem takie „nadciśnienio-we" balony nie muszą nocą pozbywać się balastu i mogą lecieć na stałej wysokości przez bardzo długi czas. Na podstawie obecnych modeli dynamiki marsjańskiej atmosfery można przewidzieć, że balony będą niesione wiatrem w kierunku wschód-zachód z prędkością sięgającą 50-100 km/h, co pozwoli im okrążyć Czerwoną Planetę w 10-12 dni. Przyjmując, że przeciętny okres trwałości balonu wyniesie 100 dni, spodziewamy się, iż każdy z balonów zdoła okrążyć Marsa przynajmniej cztery razy. Każdy balon będzie wyposażony w ważący 8 kg zestaw przyrządów do badań atmosfery, sprzęt do przechowywania i przesyłania danych, ładowaną baterię i ogniwa słoneczne oraz - stanowiącą serce całego zestawu -aparaturę do uzyskiwania obrazów. Składać się ona będzie z dwóch układów optycznych: jeden przeznaczony do obrazów o wysokiej, drugi zaś - do średniej rozdzielczości. Dzięki obrazom dobrej jakości znacznie lepiej zrozumiemy geologię Marsa i będziemy mogli wybrać miejsca lądowania dla przyszłych misji, a także obszary, na których prawdopodobieństwo znalezie-

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 69

nią dawnych lub współczesnych form marsjańskiego życia będzie największe. Najlepsze spośród obrazów, przekazanych przez orbitujące Yikingi, ukazują cechy powierzchni wielkości boiska baseballowego; obrazy uzyskiwane przez Mars Global Surveyor będą przedstawiać szczegóły powierzchni wielkości średniego samochodu; natomiast aparaty fotograficzne stosowane w projekcie MAP ukażą obiekty wielkości kota (co nie znaczy, że zobaczymy marsjańskie koty). Co piętnaście minut aparaty te będą robić jednocześnie po dwa zdjęcia: jedno czar-no-białe o wysokiej rozdzielczości, a drugie - kolorowe o średniej rozdzielczości, ukazujące obszar sfotografowany z wysoką zdolnością rozdzielczą wraz z otoczeniem (zdjęcie o średniej rozdzielczości zostanie wykorzystane do lokalizacji na mapie planety miejsca przedstawionego na zdjęciu o wysokiej rozdzielczości). Projekt MAP pozwoli uzyskać ogromną liczbę zdjęć. Flotylla ośmiu balonów, niesionych wiatrem przez sto dni, przekaże 32 000 zdjęć o wysokiej rozdzielczości oraz podobną liczbę zdjęć (ukazujących rozleglejsze obszary), które także przewyższą pod względem jakości najlepsze ze zdjęć, uzyskanych przez YikingL

Projekt MAP dostarczy nam ogromną ilość danych na temat geologii, geomorfologii i atmosfery Marsa. Inżynierowie i naukowcy będą mieć pod ręką informacje pomocne podczas planowania nowych wypraw na Marsa, wybierania obszarów badań egzobiologicznych oraz regionów, w których może występować woda. Największa korzyść, płynąca z realizacji projektu MAP, będzie jednak niewymierna: chodzi o wpływ na dalsze dzieje ludzkości.

W dzisiejszych czasach, prawie pięćset lat po odkryciach Kopernika, Tychona de Brahe, Keplera i Galileusza, większość ludzi wciąż uważa Ziemię za jedyny świat we Wszechświecie. Inne planety stanowią tylko światełka na nieboskłonie; nieliczni interesują się ich skomplikowaną wędrówką - są abstrakcyjnymi pojęciami, o których uczymy się w szkole. Projekt MAP pozwoli ludzkości obejrzeć powierzchnię innej planety tak dokładnie, jak nigdy dotąd. Aparaty fotograficzne umieszczone w gondoli ukażą rozległe obszary marsjańskiej powierzchni -

70 • CZAS MARSA

ogromne kaniony, wysokie góry, wyschnięte koryta rzek i niecki jezior, skaliste równiny i pola lodowe. Zrozumiemy, że Mars jest naprawdę innym, nowym światem - możliwym celem wyprawy, a nie jedynie nieosiągalną ideą. Podobnie jak Nowy Świat zachwycał i wabił ziemskich marynarzy, także Mars może przyciągać nowe pokolenia podróżników, gotowych stworzyć statki i żaglowce, przemierzające przestrzeń kosmiczną.

Z Marsa na Ziemię

Misja stawiająca sobie za cel przywiezienie na Ziemię próbek z Marsa (MSR, od ang. Mars Sample Return Mission) jest świętym Graalem programów badania Czerwonej Planety za pomocą robotów. Gdyby udało się przywieźć zebrane przez Yikingi próbki do ziemskiego laboratorium, można by poddać je serii testów i badań, których wyniki nie zostawiłyby żadnych wątpliwości. Co przeszkadza w przywiezieniu próbek na Ziemię? Departament NASA, zajmujący się badaniem Układu Słonecznego, planuje przeprowadzenie takiej właśnie wyprawy w 2005 roku.

Są trzy sposoby realizacji tego projektu. Pierwszy, najprostszy koncepcyjnie, można nazwać siłowym. Przewiduje on wysłanie na Marsa, przy użyciu rakiety typu Tytan 4, miniaturowego, ważącego około 500 kg statku, który będzie wyposażony w zapas paliwa, umożliwiający start z Marsa i powrót na Ziemię. Ładownik zawierałby zdalnie sterowanego rovera do szukania i pobierania próbek geologicznych, które następnie zostałyby umieszczone w kapsule na pokładzie rakiety powrotnej. Po upływie około półtora roku rakieta mogłaby wystartować z powrotem na Ziemię. Osiem miesięcy później, w pobliżu Ziemi, kapsuła odłączyłaby się od rakiety i weszła w atmosferę z dużą prędkością, podobnie jak kapsuła z załogą, powracającą z misji Apollo. W zależności od projektu kapsuła może być wyhamowywana przez spadochron bądź takie materiały amortyzujące uderzenie, towarzyszące lądowaniu na wybranym terenie pustynnym, jak drewno balsa lub styropian.

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 71

Misja według tego projektu nie byłaby skomplikowana koncepcyjnie, lecz za to bardzo kosztowna, podobnie jak wszystkie bezzałogowe wyprawy badawcze. Rakieta Tytan 4 kosztuje 400 milionów dolarów; wielki ładownik, mieszczący pojazd powrotny z pełnym zapasem paliwa, również byłby bardzo drogi. Z powodu wysokości koniecznych nakładów, nigdy nie planowano takiej wyprawy; rozważane są natomiast inne, mniej kosztowne koncepcje.

Idea spotkania na marsjanskiej orbicie (MOR, od ang. Mars Orbital Rendezuous) stanowi jedną z najbardziej popularnych alternatyw w stosunku do rozwiązania siłowego: zakłada wysłanie na Marsa dwóch statków kosmicznych za pomocą stosunkowo tanich rakiet nośnych Delta 2 (koszt każdej z nich wynosi 55 milionów dolarów). Jeden z wysłanych statków wyniesie na orbitę okołomarsjańską statek powrotny (ERY, od ang. Earth Retum Yehicle) oraz kapsułę przeznaczoną do lądowania. Drugi natomiast dostarczy na powierzchnię Marsa wyposażony w wystarczający zapas paliwa pojazd startujący (MAY, od ang. Mars Ascent Yehicle), wyposażony w rovera i pojemnik na próbki. Rover posłuży do zbierania próbek umieszczanych potem w pojemniku. Po wykonaniu tego zadania MAY wystartuje i doleci na orbitę okołomarsjańską, gdzie automatycznie dojdzie do spotkania i połączenia z ERY. Pojemnik z próbkami przekazany zostanie do kapsuły na pokładzie ERY. Następnie statki się rozdzielą: MAY będzie już niepotrzebny, a ERY pozostanie na orbicie, aż stanie się możliwy powrót na Ziemię. Pozostała część wyprawy przebiegać będzie identycznie, jak w przypadku pierwszej koncepcji.

Za planem MOR przemawia przede wszystkim stosunkowo niski koszt statku w porównaniu z podejściem siłowym. Pojazd MAY może być znacznie mniejszy niż w założeniach pierwszej koncepcji, gdyż nie musi on lecieć aż na Ziemię, lecz jedynie na orbitę wokół Marsa, a ponadto nie musi dźwigać całego układu ponownego wejścia w ziemską atmosferę, lecz tylko pojemnik na próbki. Również ładownik niosący pojazd MAY może być mniejszy, lżejszy oraz tańszy i nie wymaga tak potężnej rakiety nośnej. Z planem MOR wiążą się jednak poważne problemy.

72 • CZAS MARSA

Po pierwsze, wykorzystane mają być dwie rakiety nośne, przez co wzrasta ryzyko niepowodzenia misji z powodu awarii podczas startu. Poza tym konieczna byłaby budowa dwóch statków kosmicznych, z których każdy musiałby zostać osobno skonstruowany, zbudowany, sprawdzony, poddany testom startowym (statek doświadcza podczas startu działania silnych drgań i obciążeń akustycznych, co powoduje konieczność wcześniejszego wykonania kosztownych symulacji) oraz połączony z rakietą nośną. W rezultacie koszty są z grubsza dwukrotnie wyższe. Ponadto elementy łączące oba statki muszą być wykonane idealnie i sprawdzić się nie tylko w fabryce, lecz po starcie, w ciągu trwającego parę lat lotu oraz podczas zmian termicznych na powierzchni Marsa i na orbicie. Trudno będzie zagwarantować poprawne funkcjonowanie takiej konstrukcji, a nawet może się to okazać niewykonalne bez przeprowadzenia wcześniejszych testów. Ostatni problem polega na tym, że technologie układów automatycznego spotkania na orbicie, połączenia i przekazania próbek nie zostały jak dotąd opracowane. Ich stworzenie wymaga dużych nakładów finansowych i nie będzie możliwości przeprowadzenia testów przed rozpoczęciem misji. Wszystkie te okoliczności zwiększają ryzyko związane z tym planem.

Zwolennicy koncepcji MOR, pragnąc uczynić projekt bardziej atrakcyjnym, uciekali się do „innowacyjnych" metod księgowania,7 takich jak rozpisanie kosztów na dwie osobne wyprawy. Bardziej skrajna wersja zakłada wcześniejsze wysłanie rovera, obciążając kosztami powrotu kogo innego. Późniejsze lądowanie tuż koło rovera wymagałoby chirurgicznej precyzji. Znowu niemożliwe byłoby uprzednie sprawdzenie tego rozwiązania. Zrealizowanie tych planów stanowiłoby jednak spore osiągnięcie w dziedzinie wysyłania na Marsa misji bez-załogowych, które obecnie narażone są na odchylenia od zaplanowanego miejsca lądowania w granicach 100 km. Niektórzy zwolennicy spotkania na orbicie sugerowali zastosowanie

7 Ang. innovative accounting to eufemizm, oznaczający nieuczciwe księgowanie (przyp. red.)-

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 73

nowatorskiego rozwiązania, polegającego na spotkaniu statków w przestrzeni kosmicznej zamiast na orbicie Marsa, co pozwoliłoby zredukować ilości potrzebnego materiału napędowego dla ERY, który nie musiałby wchodzić na orbitę wokół Marsa ani z niej startować. Powoduje to jednak konieczność zabrania znacznie większej ilości paliwa dla MAY, a ponadto wprowadza nowy element ryzyka, związany z niesprawdzalnym wymogiem, by MAY startował dokładnie w momencie pozwalającym spotkać się w otwartej przestrzeni kosmicznej z ERY, przelatującym koło Marsa z prędkością 5 km/s. Biorąc pod uwagę konstrukcję MAY, nie wspominając o możliwości wystąpienia złej pogody w momencie z góry wyznaczonego startu, bardzo trudno byłoby zagwarantować powodzenie takiego manewru.

Cóż więc pozostaje, jeśli koncepcja siłowa jest zbyt kosztowna, a misja MOR zbyt ryzykowna?

Trzecie rozwiązanie, za którym już od paru lat opowiadam się ja, inżynierowie Jim French, Kumar Ramohali, Robert Ash, Dianę Linne i inni, znana jest pod nazwą: przywiezienie próbek z Marsa z wykorzystaniem lokalnej produkcji materiału napędowego (MSR-ISPP, od ang. Mars Sample Return with In-Situ Propellant Production).

Projekt MSR-ISPP zakłada wykorzystanie jednej rakiety nośnej Delta 2 do wysłania na powierzchnię Marsa rovera oraz pojazdu MAY bez zapasu paliwa. Podczas gdy rover zbiera próbki, MAY wykorzystuje niewielką pokładową instalację chemiczną do zamiany wpompowywanego marsjańskiego powietrza na materiał napędowy (osobiście opowiadam się za metanem/tlenem, jednak rozważany jest również tlenek węgla/tlen) i wypełniania nim zbiorników MAY. Gdy możliwy jest powrót na Ziemię, a wszystkie próbki zostały już zebrane i paliwo uzupełnione, MAY startuje podobnie jak w koncepcji siłowej. Na bezpośredni powrót statku na Ziemię na rakiecie nośnej Delta pozwala to, że na powierzchnię Marsa trzeba było dostarczyć sam pojazd MAY (około 70 kg), zamiast znacznie cięższego pojazdu wraz z zapasem paliwa, niezbędnym do realizacji koncepcji siłowej.

74 • CZAS MARSA

Misja według pomysłu MSR-ISPP byłaby zdecydowanie najtańsza spośród wszystkich tu omawianych, ponieważ zamiast Tytana 4 z jednym dużym statkiem kosmicznym lub dwóch Delt z dwoma małymi statkami kosmicznymi, wystarczy jedna Delta i jeden mały statek kosmiczny. Z misją tą wiąże się także znacznie mniejsze ryzyko niż w przypadku koncepcji MOR, gdyż potrzebna „zaawansowana technologia", czyli instalacja do lokalnej produkcji materiału napędowego (ISPP), może być w pełni przetestowana w komorach symulacyjnych na Ziemi. Ponadto układ ISPP jest znacznie mniej skomplikowany (w istocie opiera się na inżynierii chemicznej, znanej już w XIX wieku) niż rozwiązania z zakresu techniki lotów, konieczne do realizacji spotkania na orbicie okołomarsjańskiej (areocen-trycznej), nie wspominając już o spotkaniu w otwartej przestrzeni kosmicznej. Jak już wspomniałem, w firmie Martin Ma-rietta zbudowaliśmy i zaprezentowaliśmy działanie (więcej szczegółów na ten temat podam później) pełnowymiarowej jednostki MSR-ISPP, która wytwarzała metan i tlen, wydając na to 47 tysięcy dolarów, co jest kroplą w morzu w porównaniu z budżetem misji MSR. To prawda, że zbudowana przez nas instalacja nie była sprzętem w pełni gotowym do wysłania w przestrzeń, lecz urządzeniem doświadczalnym, służącym jedynie do przeprowadzania testów, pamiętajmy jednak, że szansę powodzenia wyprawy, związane z zastosowaniem nowych technologii, określa nie stopień opracowania technologii, lecz możliwości ich sprawdzenia. Technologia projektu MSR-ISPP może być przetestowana, więc ryzyko, związane z wyprawą według tej koncepcji, jest mniejsze niż w przypadku koncepcji MOR, wymagającej spotkania w przestrzeni kosmicznej. Ponadto realizacja projektu MSR-ISPP wymaga dwóch identycznych statków kosmicznych (a zatem tańszych niż dwa różne statki, potrzebne w projekcie MOR), więc misja zakończyłaby się pomyślnie, nawet jeśli tylko jeden z dwóch statków zdołałby powrócić. Natomiast w przypadku misji MOR wyprawa zakończy się fiaskiem, jeśli awarii ulegnie choć jeden ze statków.

Przekonamy się wkrótce, że technologia lokalnej produkcji materiału napędowego stanowi jedyną szansę, by sprostać

OD CZASÓW KEPLERA DO ERY KOSMICZNEJ • 75

kosztom załogowych wypraw badawczych na Marsa. Powinno to stanowić decydujący czynnik przy wyborze strategii misji MSR. Wartość misji MSR znacznie by wzrosła, gdyby udało się przy okazji zademonstrować działanie najważniejszych technologii, potrzebnych do realizacji załogowych lotów na Marsa. Przypuśćmy, że misja MSR zaowocuje zebraniem około kilograma próbek w promieniu kilku kilometrów od miejsca lądowania. Ponieważ jest mało prawdopodobne, by na powierzchni Marsa występowało obecnie życie, poszukiwania śladów mar-sjańskich organizmów byłyby w zasadzie poszukiwaniami skamieniałości. Małe, zdalnie sterowane rovery o niewielkim zasięgu nie są idealnym narzędziem do prowadzenia badań Marsa, jeśli weźmiemy pod uwagę opóźnienie w komunikacji (do 40 minut, z powodu skończonej prędkości sygnałów radiowych) podczas transmisji danych z rozkazami z Ziemi na Marsa. Jeśli ktoś w to wątpi, niech pomyśli o tym, czy byłoby łatwo znaleźć szczątki dinozaura, spuszczając na spadochronie takiego rovera, jak Sq/ourner lub Marsochod, nad Górami Skalistymi? Prędzej chyba nadeszłaby kolejna epoka lodowcowa. Poszukiwania skamieniałości wymagają wyciągania wniosków z subtelnych wskazówek, do czego potrzebna jest zdolność poruszania się, zwinność i intuicja. Do prowadzenia takich badań konieczna jest obecność ludzi.

Mars wyjawi swoje tajemnice dopiero wtedy, gdy dotrą tam śmiałkowie, „którym niestraszna posępna pustka kosmosu".

ROZDZIAŁ 3

OPRACOWANIE PLANU

Dwudziestego lipca 1989 roku prezydent George Bush stanął na schodach Narodowego Muzeum Lotnictwa i Badań Kosmicznych w Waszyngtonie. Za nim, w chłodnych salach Muzeum, znajdowały się eksponaty, związane z największymi amerykańskimi przedsięwzięciami kosmicznymi, m.in. statek kosmiczny Columbia - moduł załogowy Apollo 11. Dwadzieścia lat po pierwszym lądowaniu na Księżycu ludzie, którzy przyprowadzili wówczas Columbię z powrotem na Ziemię - Neil Armstrong, Mikę Collins i Buzz Aldrin, załoga Apollo 11 -towarzyszyli prezydentowi Bushowi w momencie ogłoszenia nowego, śmiałego planu.

Prezydent Bush mówił o wyzwaniach i nęcących perspektywach, związanych z badaniem przestrzeni kosmicznej, o zaangażowaniu narodu amerykańskiego w realizację długotrwałego programu badania Układu Słonecznego, a nawet o możliwościach osiedlenia się ludzi na stałe w przestrzeni kosmicznej. Idee te zdolne były przyprawić o zawrót głowy nawet dwadzieścia lat po opuszczeniu przez pierwszych amerykańskich astronautów Ziemi i dotarciu na powierzchnię innego świata. Bush mówił o potrzebie planu dłuższego niż dziesięcioletni, „długotrwałego" wysiłku, poświęconego badaniu przestrzeni kosmicznej. Następnie ogłosił swój program: „Na początek,

CZAS MARSA • 77

w nadchodzącym dziesięcioleciu - w latach dziewięćdziesiątych - stacja kosmiczna Freedom. [...] A następnie - na początku nowego wieku - z powrotem na Księżyc. [...] Po czym - będzie to podróż w przyszłość - wyprawa na inną planetę: załogowa misja na Marsa".

W ten sposób narodził się program, znany pod nazwą Inicjatywy Badań Kosmicznych (SEI, od ang. Spocę Exploration Ini-tiatwe). Start był dobry, niestety, później poszło gorzej.

Tradycyjny sposób zdobycia Marsa

W reakcji na mowę Busha, do rozważenia sposobów realizacji prezydenckiego programu wyznaczono duży zespół ekspertów z NASA, reprezentujący wszystkie ośrodki badawcze agencji, wspomagany przez najważniejsze firmy z branży lotniczej i kosmicznej . W trzy miesiące zespół opracował dokument, zatytułowany Raport z trwających 90 dni prac nad możliwościami badania Księżyca oraz Marsa przez misje zalogowe.l Zgodnie z wnioskami Raportu 90-dniowego, aby wysłać załogową misję na Marsa, należałoby uprzednio przez 30 lat budować infrastrukturę w przestrzeni kosmicznej; ponadto byłby to najbardziej kosztowny spośród wszystkich amerykańskich programów rządowych od czasów II wojny światowej.

Projekt zespołu NASA przewidywał budowę wcześniej zaplanowanej stacji kosmicznej, lecz trzykrotnie większej i uzupełnionej o „podwójne kile", zawierające hangary do budowy statków międzyplanetarnych. Konieczne byłoby także wykonanie bardzo wielu dodatkowych konstrukcji orbitalnych: swobodnie orbitujących składów kriogenicznego paliwa rakietowego, punktów kontrolnych, pomieszczeń mieszkalnych dla personelu budującego statek itd. Tak ogromny i skomplikowany sprzęt posłużyłby do budowy i obsługi rejsowych księżycowych stat-

1 A. Cohen i in.: The 90 Day Study on the Human Exploration of Moon and Mars. U.S. Government Printing Office, Waszyngton, DC 1989); raport ten niebawem stał się znany pod skróconą nazwą Raportu 90-dniowego.

78 • CZAS MARSA

ków kosmicznych (z kolei prace nad każdym z nich wymagałyby trzech pojazdów do przewożenia ciężkich ładunków i jednego startu promu kosmicznego). Osoby pamiętające, że do każdej misji Apollo wystarczył jeden start, drapały się po głowach, myśląc, że „ostatnim razem nie było tak trudno dostać się na Księżyc..." W ciągu dziesięciu lat statki kosmiczne przewiozłyby na Księżyc wszystkie zapasy i wyposażenie konieczne do zbudowania sporego kompleksu baz księżycowych. Bazy, wspomagane przez urządzenia znajdujące się na orbicie, stanowiłyby zaplecze, umożliwiające budowę naprawdę gigantycznego -zdolnego do przewożenia ponad 1000 ton - statku kosmicznego klasy Battlestar Gcdactica, przeznaczonego do odbywania podróży na Marsa. Rejsowe statki marsjańskie wykorzystywałyby zupełnie inne technologie niż statki księżycowe, i to nie tylko technologie napędu rakietowego; zatem potrzebne byłyby także spore sumy na ich opracowanie oraz dodatkowa infrastruktura, nie wymagana do misji księżycowych. Z początku wyprawy na Marsa trwałyby (łącznie z powrotem) osiemnaście miesięcy, z czego jeden miesiąc mijałby na orbicie areocentrycznej. Wylądowanie na powierzchni Marsa wiązałoby się z kolei z rejsem specjalnym - lotem małego statku kosmicznego, który zawiózłby zespół: badaczy na Czerwoną Planetę na okres około dwóch tygodni. Taka misja na Marsa pozwoliłaby na niewiele więcej niż zatknięcie flagi i zostawienie odcisków stóp. Rejsowe marsjańskie statki kosmiczne wyruszałyby z ziemskiej orbity wielkie i ciężkie, a wracałyby lekkie i puste, zostawiając po drodze rozmaite fragmenty wyposażenia (zbiorniki paliwa, pojazdy terenowe, osłony aerodynamiczne); z każdą taką wyprawą wiązałyby się olbrzymie koszty. Raport 90-dniowy nie podawał nawet przybliżonych sum, jednak z czasem do prasy przedostały się oceny kosztów realizacji tego programu: nie mniej niż 450 miliardów dolarów.

Wątpliwe, by na jakikolwiek program przeznaczono podobne fundusze. Z uwagi na odległy czas realizacji i niewielką liczbę przewidywanych osiągnięć, propozycja przedstawiona w Raporcie 90-dniowym nie wzbudziła entuzjazmu części opinii publicznej zainteresowanej badaniami przestrzeni kosmicznej.

OPRACOWANIE PLANU • 79

Następne miesiące i lata pokazały, że inicjatywa SEI była może i dobra, lecz zarazem martwa, gdyż amerykański Kongres nie zgadzał się na realizację jakichkolwiek pomysłów związanych z SEI, dopóki suma 450 miliardów dolarów nie zostanie znacznie obniżona.

Raport 90-dniowy pozbawiony był wewnętrznej logiki, nie zawierał także nowych koncepcji. Stanowił raczej, przybrane w nowe szaty, zestawienie starych pomysłów, nawiązujących do liczącego czterdzieści lat programu Die Marsprojekt - zarysu wyprawy na Marsa, opracowanego przez niemieckiego projektanta rakiet, Wernhera von Brauna, i jego współpracowników pod koniec lat czterdziestych. W NASA projekt uaktualniono pod względem technicznym, czyniąc zeń podstawę zarzuconego programu załogowej wyprawy na Marsa w 1969 roku, planowanej jako kontynuacja misji Apollo. Załogowa wyprawa międzyplanetarna według pomysłu von Brauna i jego współpracowników stanowiłaby szczyt marzeń producenta sprzętu kosmicznego: ogromny międzyplanetarny statek kosmiczny (a jeszcze lepiej flotylla ogromnych statków) montowany w orbitujących wokół Ziemi stacjach i stamtąd wystrzeliwany. Kwestia ewentualnego pobytu na powierzchni Marsa zeszła na drugi plan. Kurczowo trzymając się koncepcji gigantycznych stacji orbitalnych, służących do montażu gigantycznych statków, zespół przygotowujący Raport 90-dniowy starał się przedstawić jako niezbędne wszystkie technologie - istniejące, planowane oraz wyśnione - opracowywane w ramach programów badawczych NASA; w projekcie miało się znaleźć miejsce dla wszystkiego i wszystkich. W rezultacie powstała koncepcja wyprawy o najwyższym możliwym stopniu komplikacji, dokładnie wbrew wszelkim zasadom techniki.

Spójny projekt Inicjatywy Badań Kosmicznych

Pod koniec 1989 roku zaczęły się odzywać głosy, że konstrukcja misji, proponowana w Raporcie 90-dniowym, jest niespójna. Przeprowadzając systematyczną krytykę raportu, sporzą-

80 • CZAS MARSA

dziłem poniższe podsumowanie, umieszczane następnie wielokrotnie jako wstęp do każdego kolejnego opracowania związanego z projektem Mars Direct (zob. np. przypis 2), świadczące o moim ówczesnym przekonaniu o jego realności. Podsumowanie przedstawia kluczowe koncepcje projektu Mars Direct, dlatego zamieszczam tekst w całości, dodając jedynie pomocne wyjaśnienia w nawiasach kwadratowych.

Potrzebna jest obecnie konsekwentna i logiczna konstrukcja Inicjatywy Badań Kosmicznych (SEI), przez co rozumiem przejrzysty i inteligentnie dobrany zestaw celów oraz prosty, solidny i oszczędny plan ich osiągnięcia. Wybrane cele powinny oferować maksymalne korzyści, a ich osiągnięcie powinno zwiększać szansę realizacji jeszcze ambitniejszych zamierzeń w przyszłości. Prostota, solidność i oszczędność projektu wykluczają misje współzależne (np. misje księżycowe oraz orbitalne misje marsjańskie i ziemskie), które w rzeczywistości są wzajemnie niezależne. Zastosowane technologie powinny jednak być na tyle wszechstronne, by można je było wykorzystać do realizacji różnorodnych celów, co przyczyniłoby się do obniżenia kosztów wytwarzania wyposażenia. Najważniejszą przesłanką, którą należy kierować się podczas wyboru stosowanych technologii, jest maksymalizacja efektywności wyprawy w miejscu jej przeznaczenia, czyli na powierzchni obcej planety. Nie wystarczy dostać się na Marsa, trzeba jeszcze dokonać tam czegoś pożytecznego. Misje o zerowej efektywności są bezwartościowe.

Choć wydaje się, że powyższe zasady są dyktowane przez zdrowy rozsądek, zostały one pogwałcone we wszystkich dotychczasowych opracowaniach koncepcji SEI [np. Raport 90-dniowy]. W konsekwencji wytworzył się obraz SEI jako przedsięwzięcia tak kosztownego i nieatrakcyjnego, że mającego niewielkie szansę na uzyskanie poparcia finansowego ze strony Kongresu. Ogromne koszty realizacji tych projektów związane są z pomysłem zastosowania zupełnie innych rakiet nośnych do misji księżycowej i marsjańskiej, zupełnie innych statków rejsowych i technologii napędu rakietowego

OPRACOWANIE PLANU • 81

do misji księżycowej i marsjańskiej, a także zupełnie innych pojazdów terenowych na Marsie i na Księżycu; misja księżycowa miałaby ponadto wykorzystywać stację kosmiczną Free-dom - wielki kompleks orbitalny - do montażu sprzętu i tankowania paliwa. W ten sposób, zupełnie sztucznie, wyprawa na Czerwoną Planetę uzależniona zostaje od misji księżycowych. Ponadto koncepcje obu wypraw, na Marsa i na Księżyc, charakteryzują się wydajnością bliską zeru, gdyż nie podejmują poważniejszych prób umożliwienia astronautom przemieszczania się po powierzchni docelowego ciała niebieskiego. W przypadku misji marsjańskiej zakładany pobyt na powierzchni planety jest krótszy niż 5% całkowitego czasu podróży z Ziemi na Marsa i z powrotem. Wymóg spójności koncepcji SEI wyznacza pewne kierunki poszukiwania możliwych rozwiązań, a mianowicie:

1. Prosty i solidny projekt wyklucza uzależnianie misji księżycowych i marsjańskich od jakiejkolwiek infrastruktury LEO [czyli znajdującej się na niskiej orbicie okołoziemskiej, ang. Low-Earth-Orbit]. Budowa i konserwacja zawodnej i trudnej w naprawie orbitalnej infrastruktury byłaby niezwykle kosztowna. Ryzyko towarzyszące wyprawom międzyplanetarnym wzrasta przy wykorzystaniu konstrukcji umieszczonych w przestrzeni kosmicznej, gdyż sprawdzenie poprawności ich funkcjonowania sprawia problemy. Konieczność eliminacji infrastruktury LEO przemawia za stosowaniem zaawansowanych oraz/lub występujących lokalnie materiałów napędowych, które przyczyniłyby się do zmniejszenia ciężaru paliwa w stopniu umożliwiającym rezygnację z orbitalnego montażu statków.

2. Oszczędność wymaga zastosowania w przypadku lotów na Marsa, Księżyc oraz innych misji takich samych rakiet nośnych i statków rejsowych, technologii napędu rakietowego oraz, na ile to możliwe, pojazdów terenowych. Zakładane niskie koszty wykluczają stosowanie infrastruktury LEO, gdyż korzyści odniesione z ewentualnego ponownego użycia statków międzyplanetarnych nie są w stanie zrekompensować kosztów budowy infrastruktury orbitalnej. Wystarczy za-

82 • CZAS MARSA

uważyć, że jej koszt w przybliżeniu tysiąckrotnie przewyższa wartość ponownie wykorzystywanych układów statków kosmicznych (silników, awioniki). Z grubsza biorąc, inwestycja w infrastrukturę orbitalną zwróci się dopiero po przeprowadzeniu około tysiąca misji międzyplanetarnych i tyluż operacji ponownego montażu, czyli w bardzo odległej przyszłości. Konsekwencją wymogu oszczędności jest także dobór wyłącznie najefektywniejszych trajektorii (a więc klasy trajektorii koniunkcyjnych dla Marsa [o małym zużyciu paliwa i długim okresie przebywania na powierzchni]). Ponadto należałoby zarzucić realizację paru najbliższych planowanych misji na Marsa, wykorzystujących trajektorie z klasy opozycyjnej [o dużym zużyciu paliwa i krótkim okresie przebywania na powierzchni], gdyż wymagać będą zupełnie odmiennego wyposażenia od misji koniunkcyjnych. 3. Aby wyprawa była skuteczna, należy zapewnić astronautom na powierzchni planety:

a) czas,

b) mobilność,

c) energię.

Astronauci bez wątpienia potrzebują czasu, by przeprowadzić na powierzchni Marsa jakiekolwiek użyteczne badania lub eksperymenty z wykorzystaniem lokalnych zasobów. W ogóle nie można brać pod uwagę misji klasy opozycyjnej (lot w obie strony trwa półtora roku, z czego na pobyt na powierzchni Marsa pozostaje 20 dni). Również misje, zakładające spotkanie na orbicie marsjańskiej lub księżycowej (LOR, MOR, od ang. Lunar/Mars Orbital Rendezvous), są niewskazane z prostego powodu: jeśli czas pobytu na powierzchni ma być długi, to także okres przebywania statku głównego na orbicie będzie długi. Koncepcje LOR i MOR stawiają wyprawę w złym położeniu, skazując na wybór pomiędzy dwoma możliwościami: czy podczas długiego pobytu na powierzchni planety zostawić jakiegoś członka załogi na statku głównym na orbicie okołomarsjańskiej, w uciążliwych warunkach zerowej grawitacji i wystawionego na działanie promieni kosmicznych, na dodatek bez żadnego sen-

OPRACOWANIE PLANU • 83

sownego zajęcia, czy też pozostawić na orbicie statek główny bez załogi, licząc, że załoga zbierająca się do powrotu na Ziemię zastanie go w stanie nadającym się do użytku; gdyby się okazało, że jest inaczej, załoga mogłaby znaleźć się w beznadziejnym położeniu. Koncepcją alternatywną do LOR i MOR jest projekt, przewidujący powrót na Ziemię statku startującego bezpośrednio z powierzchni Marsa. W przypadku wyprawy na Księżyc bezpośredni powrót jest możliwy dzięki paliwu rakietowemu, wyprodukowanemu w całości na Ziemi, jednak efektywność misji znacznie by wzrosła, gdyby w drodze powrotnej udało się użyć wytworzony na Księżycu ciekły tlen. Bezpośredni powrót statku z powierzchni Marsa bezwzględnie wymaga wykorzystania lokalnych materiałów napędowych.

Astronauci muszą mieć możliwość swobodnego poruszania się po powierzchni, ponieważ w przeciwnym razie niemożliwe byłoby przeprowadzenie jakichkolwiek pożytecznych badań na planecie wielkości Marsa, a nawet Księżyca. Konieczny będzie transport do bazy zasobów naturalnych z odległych miejsc ich występowania. Uczestnicy wyprawy potrzebować będą środków transportu, by odwiedzać oddalone placówki, takie jak optyczne i radioastronomiczne obserwatoria na Księżycu. Kluczem do rozwiązania kwestii mobilności, zarówno na Marsie, jak i na Księżycu, jest produkcja - na bazie lokalnych zasobów - paliwa, które nadawałoby się zarówno do roverów terenowych dużej mocy, jak i statków z napędem rakietowym. W przypadku Księżyca wybór pada na tamtejszy ciekły tlen, spalający się z pomocą ziemskiego paliwa, na przykład wodoru lub metanu. Na Marsie można produkować metan/tlen oraz tlenek węgla/tlen, chemiczne kombinacje paliwa i utleniacza, a ponadto do zwiększenia siły ciągu podczas startu statku może posłużyć dwutlenek węgla w surowej postaci, podgrzewany w jądrowym termicznym silniku rakietowym.

Uruchomienie produkcji lokalnych materiałów napędowych, zarówno na Marsie, jak i na Księżycu, wymaga dużych ilości energii, możliwych do wytworzenia jedynie przez

84 • CZAS MARSA

reaktory jądrowe. Paliwa, po wyprodukowaniu, stają się wygodnym środkiem magazynowania energii jądrowej. Energię tę można później czerpać choćby z przenośnego generatora 100 kW napędzanego silnikiem spalinowym rovera. Prowadzenie przez astronautów różnorodnych badań i czynności związanych z utylizacją miejscowych zasobów naturalnych wymaga stworzenia środowiska bogatego w energię, zarówno w bazie, jak i w oddalonych punktach.

Widzimy zatem, że kierowanie się w Inicjatywie Badań Kosmicznych (SEI) wymogami prostoty, solidności, oszczędności i wysokiej efektywności nakazuje, by projekt bezpośrednich lotów na Marsa lub Księżyc odwoływał się do znanej metody startu, lotu i bezpośredniego powrotu na Ziemię z powierzchni planety, możliwego dzięki wykorzystaniu lokalnie występujących materiałów napędowych, które służyłyby zarazem jako paliwo do podróżowania po powierzchni i pozwalały korzystać z przenośnych źródeł energii.2

Przedstawione powyżej rozumowanie doprowadziło do opracowania nowatorskiej koncepcji wyprawy na Marsa, zwanej Mars Direct.

Narodziny projektu Mars Direct

W styczniu 1990 roku było już jasne, że plan zawarty w Raporcie 90-dniowym został trafiony i zatopiony. W związku z tym w Broadmoor Hotel w Colorado Springs doszło do zebrania członków kierownictwa firmy Martin Marietta w celu przedyskutowania sytuacji. Do udziału zaproszono dwie osoby, znane już w firmie z zainteresowań Marsem: Bena Clarka, pracownika niższego szczebla kierownictwa Martin Marietta, który był jednym z czterech naukowców, nadzorujących misję

2 R. Zubrin, D. Baker i O. Gwynne: Mars Direct: A Simple, Robust and Cost-Effec-tive Architecture for the Space Exploration Initiative, AIAA 01-0326, 29th Aero-space Science Conference, Reno, Nevada, styczeń 1991.

OPRACOWANIE PLANU • 85

Yiking w 1976 roku (zaprojektował eksperyment z fiuorescen-cją rentgenowską), i mnie, zaledwie starszego inżyniera - zajmowaliśmy więc zdecydowanie najniższe stanowiska wśród uczestników.

Benowi i mnie udało się przekonać członków zarządu Martin Marietta, że firma powinna utworzyć niewielki dobrany zespół, mający opracować własne, oryginalne podejście do lotów na Marsa, wolne od uprzedzeń i preferencji NASA. Trudno byłoby stworzyć niezły, oszczędny i dotyczący najbliższej przyszłości plan załogowej wyprawy badawczej na Marsa, gdyby wtrąciła się w to gromada osób, kierujących się czyimiś interesami i domagających się dostosowania projektu do wymagań jakichś kierowników lub grup w Centrach Kosmicznych NASA im. Johnsona i Marshalla. Nasz zespół miał być z założenia niezależny od takich wpływów; to właśnie próba zadowolenia wszystkich doprowadziła autorów Raportu 90-dniowego do stworzenia planów wymykających się spod kontroli.

Była to bardzo radykalna propozycja. Wśród menedżerów pracujących w przemyśle kosmicznym panuje przekonanie, że „klientowi" (a więc NASA lub siłom lotniczym armii amerykańskiej) należy zawsze mówić to, co on chce usłyszeć. Z pewnością w ten sposób najłatwiej zawrzeć kontrakt. My proponowaliśmy podejście przeciwne: zacząć od dobrych pomysłów i powiedzieć klientowi to, co powinien usłyszeć, niezależnie od tego, czy ma na to ochotę.

Al Schallenmuller, nowo powołany wiceprezes podwydziału cywilnych systemów kosmicznych, odpowiedzialny w Martin Marietta za SEI, był centralną postacią zebrania, mimo że nie zajmował najwyższego stanowiska pośród uczestników. Zdobył doświadczenie, pracując jako inżynier dla Kelly'ego Johnsona w słynnym warsztacie Skunkworks lotniczego koncernu Lockheed. Wiedział, że duże i trudne projekty można realizować tanio i szybko. Był jednym z głównych inżynierów, pracujących przy misji Yiking w 1976 roku i często opowiadał, jak bardzo ekscytujące było oglądanie pierwszego przekazanego przez Vi-kinga obrazu powierzchni Marsa. Schallenmuller naprawdę chciał ponownie wyprawić się na Marsa i wiedział, że Raport

86 • CZAS MARSA

90-dniowy zawierał plan nierealny; dlatego poparł naszą propozycję.

W lutym 1990 roku firma Martin Marietta powołała dwuna-stoosobowy „zespół do opracowywania scenariuszy" pod kierownictwem Ala Schallenmullera; zespół ów miał stworzyć „nowe, ogólne strategie" badania przestrzeni kosmicznej. Większość zespołu stanowili ludzie z wiedzą ogólną, jak Ben, ja czy David Baker, inżynier budowy statków kosmicznych, choć było też paru specjalistów: Bili Wilcockson, ekspert Martin Marietta w dziedzinie hamowania atmosferycznego - metody wykorzystania atmosfery planety do zwalniania lotu statku (Bili odegrał później kluczową rolę podczas pomyślnego hamowania atmosferycznego sondy Magellan w atmosferze Wenus); Al Thompson, specjalista od sztucznej grawitacji; oraz Steve Price, ekspert Martin Marietta w dziedzinie projektowania planetarnych roverów terenowych.

Ben i ja byliśmy najsilniej przekonani do pomysłu wyprawy na Marsa, choć nie do końca zgadzaliśmy się między sobą. Obaj uważaliśmy, że misja na Marsa wymaga małego zużycia paliwa, a zatem musi wykorzystywać trajektorie koniunkcyj-ne, oraz że nie ma potrzeby budowania bazy na Księżycu, a montaż statku w stacji orbitalnej stanowi ewidentny minus planu. W tym ostatnim punkcie nasze drogi się rozchodziły. Ben sądził, że zastosowanie robotów pozwoli montować statki kosmiczne na orbicie dzięki znajdującym się na pokładzie manipulatorom, zdolnym złożyć statek z dostarczonych części. Ponieważ Ben dopuszczał montaż na orbicie, nie starał się, w przeciwieństwie do mnie, zredukować za wszelką cenę masy ładunku wyprawy. Choć więc przez całe lata interesował się możliwością produkcji materiału napędowego na Marsie, nie widział potrzeby wprowadzania do projektu tej strategii. Nie dostrzegał również potrzeby maksymalizacji okresu przebywania na powierzchni Marsa: według planu Bena wyprawa spędziłaby półtora roku na orbicie areocentrycznej Czerwonej Planety, z wyjątkiem krótkiego, około miesięcznego wypadu na Marsa w małym statku ładowniczym. Ben rozważał użycie chemicznych materiałów napędowych, dostęp-

OPRACOWANIE PLANU • 87

nych na rynku, więc jego projekt był stosunkowo konwencjonalny (czyli zbliżony do Raportu 90-dniowego, a więc dominującego wówczas podejścia); zawierał plan budowy na orbicie 700-tonowego statku kosmicznego, jednak bez kosztownych, a zbędnych elementów - budowy baz księżycowych i infrastruktury orbitalnej. Początkowo Ben nazwał swoje podejście Koncepcją 6, później zmienił nazwę projektu na Koncepcja prostej strzaly.

Nie zgadzałem się z rozumowaniem Bena, uważając, że metoda składania statku przez roboty się nie sprawdzi. Ponadto konieczność wysłania w przypadku każdego startu 700 ton ładunku na LEO spowodowałaby, że z pewnością nie odbyłoby się wiele wypraw na Marsa; trzydziestodniowy okres pobytu na powierzchni wykluczałby też przeprowadzenie jakichkolwiek sensownych badań. Moim zdaniem celem wyprawy na Marsa nie było ustanawianie nowego rekordu odległości, lecz zbadanie planety i jej kolonizacja. Perspektywa ciągłej obecności na Marsie wymaga przeprowadzenia wielu misji, co można osiągnąć, redukując masę wyprawy, a tym samym koszty ekspedycji. Najłatwiej jest to osiągnąć, produkując materiał napędowy na powierzchni Marsa. W 1989 roku wykonałem badania wskazujące, że strategia ta, w połączeniu z użyciem napędu jądrowego podczas lotu z Ziemi na Marsa, pozwala wysłać załogową misję za pomocą pojedynczej rakiety nośnej Saturn 5, rakiety tego samego typu, co w misji Apollo. Dzięki zastosowaniu pojedynczej rakiety nośnej montaż i start mogą się odbywać na powierzchni Ziemi, na Przylądku Canaveral, a budowa statku na orbicie jest zbędna. Ponadto wykorzystanie marsjańskiego paliwa pozwoliłoby na lądowanie całej wyprawy na powierzchni Marsa; nikt ani nic nie musiałoby pozostawać na orbicie i cały długi pobyt na planecie można by wykorzystać na prowadzenie pożytecznych badań. Oto sposób dotarcia na Marsa: bezpośredni start za pomocą jednej rakiety nośnej, wykorzystanie napędu jądrowego podczas lotu po trajektorii Ziemia-Mars oraz bezpośredni powrót z powierzchni planety dzięki materiałom napędowym, wyprodukowanym na miejscu.

88 • CZAS MARSA

Kolej na pomysły Davida Bakera. Baker, człowiek bardzo bystry, był wówczas w Martin Marietta głównym inżynierem, pracującym nad konstrukcją kosmicznego pojazdu rejsowego (STV, od ang. Space Transfer Yehicle, promu służącego do podróży na Księżyc). Baker musiał wychodzić z siebie, by spełnić arbitralne wymagania, narzucane przez NASA. Zażyczono sobie na przykład, by STV mógł wylądować na Księżycu, nawet gdyby dowolne dwa silniki uległy awarii. (Ładownik księżycowy misji Apollo miał tylko jeden silnik). Wymogi symetrii siły ciągu powodują, że potrzebnych jest wtedy pięć silników, podczas gdy w zasadzie wystarczyłby jeden. W takiej sytuacji statek dysponowałby zbyt wielką w stosunku do potrzeb siłą ciągu, trzeba by więc zdławić pracę silników do około 10% mocy, do czego nie były przeznaczone, i w konsekwencji opracowywać nowy kosztowny projekt silnika. Co więcej, NASA chciała, by silniki były zdatne do ponownego wykorzystania. Powodowało to bardzo znaczne zwiększenie kosztów i masy startowej ze względu na konieczność wleczenia pięciu ciężkich silników najpierw na Księżyc, a potem z powrotem na orbitę, gdzie w stacji montażowej, zbudowanej za wiele miliardów dolarów, byłyby po dokonaniu kontroli ponownie montowane. A wystarczyłby gotowy, znajdujący się w ofercie handlowej firmy Pratt & Whitney, silnik RL-10 w cenie 2 milionów dolarów. Pracując nad STV, Baker starał się zrobić jak najwięcej jako „gracz zespołowy", lecz kiedyś wyznał mi, że „to wszystko nie ma żadnego sensu".

Baker uczestniczył we wcześniejszych pracach nad projektowaniem wypraw na Marsa, których kierunek wyznaczało rozumowanie zbliżone do zawartego w Raporcie 90-dniowym, lecz było oczywiste, że logika tych prac (lub jej brak) bardzo mu przeszkadzała. Pewnego razu zapoznał się z moimi pomysłami. Jedne zaakceptował od razu, do innych musiałem go przekonywać - jak do kluczowej roli produkcji materiałów napędowych na Marsie. Niektórych rozwiązań w ogóle nie chciał przyjąć, na przykład wykorzystania napędu jądrowego podczas pierwszych misji na Marsie. Uważał, że opracowanie technologii napędu jądrowego kosztowałoby zbyt wiele, a przekonanie

OPRACOWANIE PLANU • 89

opinii publicznej do tego rozwiązania nie byłoby łatwe. Nie zgadzałem się z tymi argumentami. W przypadku długofalowego programu badań Marsa wydatki na opracowanie napędu jądrowego z pewnością zwróciłyby się po dwóch-trzech wyprawach dzięki obniżeniu kosztów startu; zakrojony na dużą skalę program eksploracji Marsa wymaga stosowania jądrowego napędu rakietowego. „Jeśli będziesz upierał się przy napędzie jądrowym już przy pierwszej wyprawie, spowodujesz opóźnienie realizacji całego programu, a może nawet doprowadzisz do tego, że zostanie zaniechany" - odpowiadał Baker.

Ten argument mnie przekonał. Nie miałem wątpliwości, że realizacja programu wysłania ludzi na Marsa powinna odbywać się w maksymalnym tempie. Szybka realizacja projektu oznacza oszczędności, gdyż koszty równe są liczbie zaangażowanych osób pomnożonej przez czas. Ponadto, aby uzyskać środki na kontynuację, każdy poważniejszy program musi co roku trafić do Kongresu, co grozi decyzją o przerwaniu jego realizacji, wynikającą często z zakulisowych rozgrywek lub osobistych uprzedzeń. Każda dyskusja w Kongresie przypomina rosyjską ruletkę i można jedynie mieć nadzieję, że jeszcze raz dopisze szczęście.

W 1961 roku prezydent John F. Kennedy wyznaczył cel: wysłać ludzi na Księżyc przed rokiem 1970. W 1968 roku zmieniła się administracja rządowa i prezydent Richard Nixon wycofywał się z programu, choć astronauci lądowali już na Księżycu. Gdyby Kennedy wezwał do zdobycia Księżyca w ciągu 20, a nie 10 lat, w roku 1969 NASA kończyłaby dopiero realizację programu Mercury, a perspektywa wyprawy na Księżyc byłaby wciąż bardzo odległa. Jeśli chcemy załogowego lotu na Marsa, trzeba to zrobić w ciągu dekady, a nie 20 lub 30 lat.

Musiałem przyznać, że projekt napędu jądrowego - w przeciwieństwie do lotu na Marsa - będzie prawdopodobnie musiał poczekać na realizację. Jądrowy napęd rakietowy bez wątpienia zostanie w końcu opracowany, gdyż pozwoli zmniejszyć koszty startu niemal dwukrotnie, lecz postanowiłem na to nie czekać. Musimy wybrać się na Marsa, wykorzystując to, czym dysponujemy obecnie; udoskonalenia można wprowadzać póz-

90 • CZAS MARSA

niej. Im więcej czasu spędzałem z Bakerem, dyskutując o technicznych i filozoficznych aspektach budowy statków i projektu wyprawy, tym bardziej nasze stanowiska się zbliżały; zdecydowaliśmy się więc podjąć współpracę.

Pod wieloma względami stanowiliśmy niezbyt dobraną parę: ja jestem niski, a Baker bardzo wysoki, ja jestem energiczny, Baker zaś - flegmatyczny, ja jestem optymistą, podczas gdy on to urodzony pesymista. Ponadto jestem romantykiem, a Baker egzystencjalistą; mój ulubiony film to Casablanca, jego zaś -Brazil Moje rozumowanie pełne jest myślowych przeskoków, podczas gdy argumenty Bakera układają się w konsekwentny ciąg. Za swoje credo wybrałem cytat z Hegla: „Wielki cel wymaga pasji". Baker, gdy mu kiedyś przytoczyłem to zdanie, skrzywił się i wyszedł z pokoju. Zdaniem Bakera pasja i technika nie mają ze sobą nic wspólnego. Jest przekonany, że wystarczy świetnie wykonywać pracę i dobrze żyć, tymczasem ja pragnę zmieniać świat.

Mimo wszystko pracowaliśmy razem przez pewien czas, a w 1990 roku osiągnęliśmy ciekawe wyniki. Posiadaliśmy wzajemnie się uzupełniające umiejętności: ja miałem znacznie solidniejsze wykształcenie akademickie w takich dziedzinach, jak matematyka, nauki przyrodnicze i technika, a David dysponował znacznie większym doświadczeniem technicznym; poza tym znał praktyczne metody rozwiązywania wielu problemów. Innymi słowy, ja zapewniałem twórcze natchnienie, on -dyscyplinę. Nie staliśmy się bliskimi przyjaciółmi, lecz dobrze się nam razem pracowało.

Jak już wspomniałem, w 1989 roku opublikowałem artykuły, w których wykazałem, że do wysłania załogowej wyprawy na Marsa potrzebna byłaby tylko jedna rakieta nośna klasy Saturn 5, pod warunkiem dostępności napędu jądrowego oraz możliwości wyprodukowania na Marsie materiałów napędowych, pozwalających na wzniesienie się z powierzchni Marsa i powrót na Ziemię. Baker zaprojektował dla NASA taki właśnie pojazd, przeznaczony do przenoszenia ciężkich ładunków; nazwał go Promem Z, od Kodu Z - działu NASA, odpowiedzialnego wówczas za załogowe programy badania przestrzeni kosmicz-

OPRACOWANIE PLANU • 91

nej. Prom Z stanowił właściwie rozbudowany wariant projektu Promu C, który zamiast orbitera w gotowym do startu promie kosmicznym miał dodatkowy luk towarowy. Prom C mógł wynieść na niską orbitę okołoziemską (LEO) około 70 ton. Baker dodał do projektu górny stopień, wyposażony w wydajny silnik wodorowo-tlenowy. Stopień ten mieścił się wewnątrz powiększonego luku, dzięki czemu Prom Z mógł wynieść na LEO około 130 ton, zaledwie 10 ton mniej od Saturna 5. Wszystkie elementy zostały wzięte ze znanej konstrukcji promu kosmicznego, zatem możliwe byłoby szybkie i tanie zbudowanie Promu Z, czego wymaga dziesięcioletni okres realizacji programu.

Mieliśmy zatem rakietę nośną; brakowało jeszcze napędu jądrowego dla lotu z Ziemi na Marsa i z powrotem: z Marsa na Ziemię. Bez jądrowego napędu rakietowego musiałyby się odbyć dwa starty, co wprawdzie nie stanowiło niepokonywalnej przeszkody, lecz powodowało, że konstrukcja misji stawała się co najmniej nieelegancka. Nasz projekt przewidywał umieszczenie statku powrotnego (ERY) na module mieszkalnym, który z kolei znajdował się na częściowo wypełnionym paliwem stopniu Promu Z; ten zaś tkwił na prawie całkowicie wypełnionym paliwem stopniu górnym. Konstrukcja wymagała montażu, polegającego na spotkaniu i połączeniu w całość na orbicie. Trzy pierwsze elementy (ERY, moduł mieszkalny i jeden częściowo wypełniony stopień) miały zostać wyniesione na orbitę przez jeden Prom Z, a czwarty element (prawie całkowicie wypełniony stopień górny) - przez drugi Prom Z.

Projekt ten nie był zbyt atrakcyjny z wielu powodów. Wysoka, piętrowa konstrukcja wydawała się dziwaczna, a niezależnie od kolejności startowania rakiet nośnych pierwszy dostarczony na orbitę ładunek czekałby na resztę przez parę miesięcy, spalając w tym czasie znaczną część paliwa. Lądując na Marsie, ładunek, który składałby się z ERY i modułu mieszkalnego, leciałby za osłoną aerodynamiczną - zaokrągloną w kształcie grzyba - zmniejszając prędkość podczas przedzierania się przez marsjańską atmosferę. ERY oraz moduł mieszkalny byłyby jednak tak ciężkie, że nawet duża, składana osłona aerodynamiczna mogłaby się nie zmieścić wewnątrz

92 • CZAS MARSA

osłony aerodynamicznej ładunku Promu Z. Jeszcze poważniejszy problem czekał po przybyciu na Marsa.

Zakładając użycie napędu jądrowego, zaprojektowałem układ napędowy, wykorzystujący przechowywany sprężony dwutlenek węgla. Gaz ten, po podgrzaniu przez reaktor jądrowy, posłużyłby jako czynnik roboczy wytwarzający ciąg rakiety. (Około 95% marsjańskiej atmosfery składa się z dwutlenku węgla, który przechodzi w stan ciekły po sprężeniu do ciśnienia około 7 kg/cm2). Z mechanicznego punktu widzenia taki układ napędowy jest bardzo prosty, wymaga jedynie pompy. Koncepcja ta pozwalała założyć, że astronauci po przybyciu na Marsa zaopatrzą się w paliwo, potrzebne do powrotu na Ziemię. Bez napędu jądrowego materiały napędowe na Marsie można jednak produkować tylko na drodze pewnej syntezy chemicznej, co jest bez wątpienia znacznie bardziej skomplikowane od prostego sprężania i magazynowania dwutlenku węgla. NASA słusznie by nalegała, aby cały zapas paliwa, potrzebnego do powrotu na Ziemię, został wyprodukowany, zanim astronauci wystartują z Ziemi, gdyż w przeciwnym razie mogliby zostać uwięzieni na planecie.

W 1989 roku Jim French, niezależny konsultant techniczny, opublikował w czasopiśmie „Journal of the British Inter-planetary Society" artykuł, zawierający niektóre z powyższych rozważań. French proponował, by wpierw wylądował na Marsie statek z jednostką chemiczną do produkcji materiału napędowego, która wytworzyłaby i zmagazynowała zapas paliwa na powrotny etap podróży. Pojawił się zatem problem, co uczynić, by statek z załogą mógł wylądować bardzo blisko składu paliwa. Według Frencha było to na tyle skomplikowane, że zastosowanie lokalnej instalacji do produkcji materiału napędowego nie wchodziłoby w grę do czasu założenia na Marsie stałej bazy z załogą oraz zbudowania infrastruktury, chroniącej przed wszelkiego rodzaju przeciwnościami.

Należało więc rozważyć następującą kwestię: rezygnacja z napędu jądrowego pozwalała na szybszą realizację programu, pojawiało się jednak wówczas wiele innych problemów. Najgorszy to konieczność przetransportowania wytworzonego

OPRACOWANIE PLANU • 93

przed przybyciem załogi paliwa ze składu na statek powrotny. Czy polegać na wcześniej przywiezionym zdalnie sterowanym pojeździe transportowym? Byłoby to zbyt ryzykowne. Zmagając się z tym zagadnieniem, wpadłem na pomysł nowatorskiej konstrukcji, która obecnie wydaje się zupełnie oczywista. Nie należy wysyłać załogi razem ze statkiem powrotnym - trzeba najpierw wysłać statek powrotny wraz z instalacją chemiczną do produkcji paliwa. Koncepcja ta za jednym zamachem rozwiązywała prawie wszystkie problemy. Moduł mieszkalny oraz statek powrotny były wystarczająco lekkie, by wysłać je bezpośrednio na Marsa - każde z osobna Promem Z. Wciąż potrzebne były dwa starty Promu Z, lecz w tym schemacie jeden Prom Z wyniósłby statek powrotny, a drugi - załogę wraz z modułem mieszkalnym. Wyekspediowanie ERY i modułu mieszkalnego w jednym ładunku wymagałoby zastosowania układu hamowania atmosferycznego, którego zaprojektowanie i wykonanie stanowiłoby poważne wyzwanie. Natomiast wysłanie dwóch mniejszych ładunków pozwoliłoby zastosować układ hamowania atmosferycznego, montowany wewnątrz osłony aerodynamicznej ładunku Promu Z. Aby upewnić się, że załoga nie zostanie na Marsie unieruchomiona, ERY wyruszyłby 26 miesięcy przed wysłaniem astronautów. W ten sposób cały zapas paliwa potrzebny na drogę powrotną zostałby wytworzony, zanim astronauci w ogóle opuszczą Ziemię. Ponadto znika problem precyzyjnego lądowania w bezpośredniej bliskości statku powrotnego, gdyż byłby on połączony z aparaturą chemiczną do produkcji materiałów napędowych. Instalacje, służące do dostarczania wytworzonego na Marsie materiału napędowego do wnętrza statku powrotnego, zostałyby wykonane i zmontowane na Ziemi, wraz z wbudowanym układem kontrolnym oraz sterowniczym.

Największą zaletą tego rozwiązania była rezygnacja z montażu na orbicie. Jedyne spotkanie musi się odbyć na powierzchni Marsa, co nie będzie sprawiało trudności. Podczas misji Apollo załodze udało się wylądować w odległości 200 m od statku Surueyor, który znajdował się na Księżycu od paru lat; obecnie dysponujemy nowocześniejszą techniką. Jeśli na orbi-

94 • CZAS MARSA

cię miniemy się o 10 m, to już po wszystkim. W przypadku spotkania na powierzchni planety odległość 10 km nie stanowi problemu - można ją pokonać pieszo bądź w pojeździe. Moduł mieszkalny wyposażony będzie dodatkowo w ciśnieniowego ro-vera, zdolnego przejechać 1000 km. Wylądowanie w większej odległości od statku powrotnego świadczyłoby o fatalnym pilotażu. Niezależnie od negatywnej oceny biurokracji NASA, trzeba przyznać, że astronautami są najlepsi piloci na świecie. Bez wątpienia spotkanie na powierzchni planety musi się udać.

Koncepcja wysłania na Marsa załogi bez statku powrotnego, choć nowatorska i śmiała, jest w istocie bezpieczniejsza i pewniejsza niż wyprawienie załogi wraz z pojazdem, który zabierałby astronautów z powrotem z powierzchni Marsa na orbitę. Powód jest prosty: wcześniejsze wysłanie ERY sprawia, że załoga wie, zanim opuści Ziemię, iż na Czerwonej Planecie czeka w pełni funkcjonalny statek powrotny, który przetrwał ciężką próbę lądowania. Natomiast astronauci osiadający na powierzchni Marsa razem ze statkiem powrotnym mogliby się jedynie domyślać, w jakim stanie będzie się znajdował ów statek po wylądowaniu. Ponadto, zgodnie z naszym planem, załoga wyruszałaby na Marsa wraz z kolejnym statkiem ERY, mającym wylądować w pobliżu modułu mieszkalnego astronautów, w odległości nie przekraczającej zasięgu długodystansowego rovera. Drugi statek ERY rozpocząłby produkcję paliwa, potrzebnego do powrotu na Ziemię kolejnej załogowej wyprawy marsjańskiej, stanowiąc zarazem zabezpieczenie dla pierwszej załogi. Dwa statki powrotne na powierzchni Marsa oraz moduł mieszkalny to razem trzy jednostki, mogące stanowić schronienie oraz zapewnić podtrzymanie funkcji życiowych. Trudno byłoby lepiej zadbać o bezpieczeństwo astronautów.

Zachęceni pierwszymi sukcesami, przystąpiliśmy do opracowywania projektów potrzebnych podukładów i pojazdów, a ja skoncentrowałem się na chemii syntezy materiałów napędowych na Marsie. W 1990 roku przeważała opinia, że należy poszukiwać nowej techniki rozkładu dwutlenku węgla (CO2) na tlenek węgla (CO) i tlen (O2) - substancje, które spalając się

OPRACOWANIE PLANU • 95

mogą służyć jako rakietowy materiał napędowy. Jedyny potrzebny surowiec to dwutlenek węgla, obecny w marsjańskiej atmosferze bez ograniczeń.

Koncepcja ta miała też jednak kilka słabych punktów. Proces rozkładu CO2 był stosunkowo słabo poznany, a jego wykorzystanie na skalę konieczną do wyprodukowania paliwa na drogę powrotną na Ziemię wymagałoby użycia dziesiątków tysięcy małych, łamliwych ceramicznych rurek z wytrzymującymi temperaturę około 1000°C zamknięciami; umieszczone na obu końcach każdej rurki, umożliwiłyby przekształcenie rurek w reaktory. Ponadto produkowany w instalacji dwuskładnikowy materiał napędowy, tlenek węgla/tlen, jest kiepskim paliwem rakietowym, o impulsie właściwym wynoszącym zaledwie 270 sekund. (Impuls właściwy silnika rakietowego, w skrócie Isp, to wyrażony w sekundach czas, przez jaki jeden kilogram materiału napędowego daje siłę ciągu jednego kG. Im wyższa wartość Isp, tym lepiej. Silniki niemieckich rakiet V-2 z II wojny światowej charakteryzowały się Isp wynoszącym około 230 sekund; współczesny silnik RL-10 firmy Pratt & Whitney, spalający wodór i tlen, ma Isp około 450 sekund; natomiast Isp jądrowego silnika rakietowego na paliwo wodorowe sięgałby 900 sekund). Niska wydajność mieszaniny CO/O2 oznacza konieczność przywiezienia na Marsa bardzo dużych i ciężkich zbiorników do przechowywania paliwa powrotnego. Poza tym materiał napędowy CO/O2 spala się w bardzo wysokiej temperaturze, nieosiągalnej jeszcze dla współczesnych silników. Opracowanie potrzebnego silnika wymagałoby znacznych funduszy i wnosiłoby w przygotowania do wyprawy element ryzyka.

Alternatywą w stosunku do tego rozwiązania jest produkcja materiału napędowego, składającego się z metanu i tlenu (CH4/O2). Mieszanina metanowo-tlenowa jest najwydajniejsza (Isp = 380 s) spośród materiałów napędowych, które można by przechowywać na powierzchni Marsa przez dłuższy czas. Choć nie dysponujemy jeszcze silnikami na CH4/O2, przystosowanymi do regularnych lotów, paliwo pomyślnie przeszło testy z silnikiem RL-10, a producent, Pratt & Whitney, opublikował dane, które świadczą o tym, że przystosowanie RL-10 do spa-

96 • CZAS MARSA

lania CH4/O2 byłoby względnie proste i tanie. Jest jednak pewien problem: do wytworzenia metanu potrzebny jest wodór (H w CH4), o który na Marsie niełatwo. Skąd wziąć na Marsie wodór? W 1976 roku profesor Robert Ash (obecnie pracuje w Old Dominion University) wraz ze współpracownikami z JPL opublikował pracę, która opisywała bardzo proste i dobrze znane (już w epoce oświetlenia gazowego!) procesy chemiczne służące do produkcji dwuskładnikowego materiału napędowego metan/tlen na Marsie; należało tylko znaleźć źródło wody. Woda stanowiła wąskie gardło. Wydobywanie jej z marsjań-skiej wiecznej zmarzliny z pewnością nie byłoby właściwym rozwiązaniem dla pierwszej automatycznej misji, podobnie jak bardzo trudne skraplanie pary wodnej ze skrajnie suchej atmosfery Marsa. Dlatego Ash zaczai się zastanawiać nad produkcją CO/O2. Gdy rozważałem taką możliwość, przyszło mi do głowy, że jedynym problemem napotkanym przez Asha i jego współpracowników było zbyt purystyczne podejście - założenie, że wszystkie materiały napędowe muszą pochodzić z Marsa. Tymczasem wodór, potrzebny do przeprowadzenia proponowanych reakcji chemicznych, stanowi zaledwie 5% masy wszystkich materiałów napędowych. Co zatem stoi na przeszkodzie, by tę stosunkowo niedużą ilość wodoru przywieźć z Ziemi? Przedyskutowałem tę kwestię z ekspertami, zajmującymi się w Martin Marietta przechowywaniem płynów kriogenicznych. Zgodnie z ich jednogłośną opinią magazynowanie mniej więcej 6 ton wodoru podczas ośmiomiesięcznej podróży z Ziemi na Marsa nie stanowiłoby większego problemu, pod warunkiem że zabrano by około 15% więcej wodoru na pokrycie strat, spowodowanych parowaniem podczas rejsu (na samym Marsie można uniknąć tego rodzaju strat, budując urządzenie, które kierowałoby do reaktora metanowego cały parujący wodór). Przywiezienie wodoru z Ziemi stanowiło rozwiązanie problemu produkcji na Marsie użytecznej mieszanki napędowej. Tymczasem David Baker, z pomocą Sida Early'ego (eksperta z Martin Marietta od analizy trajektorii rakiet nośnych), przeprojektował Prom Z w rakietę nośną o nazwie Ares, przystosowaną nie do wynoszenia ładunków na niską

OPRACOWANIE PLANU • 97

orbitę okołoziemską, lecz do wyrzucania ich bezpośrednio na trajektorie międzyplanetarne (rys. 3.1). Przedstawił ponadto rozwiązanie polegające na zatrzymaniu zużytego, wypalonego górnego stopnia Aresa tak, by obracając się na uwięzi przyczyniał się do wytworzenia w module mieszkalnym sztucznej grawitacji podczas rejsu z Ziemi na Marsa. Projekt, zakładający wytworzenie sztucznej grawitacji przez uwiązane obiekty, nie był wprawdzie żadną nowością, nasz pomysł był jednak znacznie lepszy, gdyż rozwiązywał problem obiektu na uwięzi. Z uwagi na ogromną masę lecącego statku bardziej konwencjonalne plany wypraw przewidywały wytworzenie sztucznej grawitacji przez rozdzielenie statku i umieszczenie na uwięzi ważnych jego części, na przykład stopni napędowych potrzebnych do powrotu na Ziemię. Gdyby lina łącząca pękła podczas ściągania którejś z części, misja zakończyłaby się niepowodzeniem. Nasza koncepcja nie przewiduje w ogóle wciągania liny; po znalezieniu się w pobliżu Marsa nastąpi uwolnienie obiektu na uwięzi poprzez odcięcie liny bądź odpalenie sworznia, ścinanego wybuchowo. Pomysł znacznie obniża ryzyko, związane z powodzeniem misji, oraz ilustruje jedną z podstawowych zalet naszej koncepcji wyprawy.

No i zaczęło się. Baker zaproponował, by jako podstawy modułu mieszkalnego użyć dwóch modułów stacji kosmicznej - ze względu na to, że podczas realizacji misji marsjańskiej będą one najpewniej pod ręką. Moduły stacji kosmicznej są długie i wąskie, przypominające kadłub samolotu, ponieważ zostały skonstruowane tak, by mieścić się w ładowni promu kosmicznego. Zwróciłem uwagę, że prawdziwy postęp w budowie modułów stacji kosmicznej polega na wyposażaniu ich w system podtrzymywania funkcji życiowych i inne wewnętrzne układy, a nie na doskonaleniu metod produkcji łusek kadłuba. Twierdziłem, że w porównaniu z dwoma wąskimi modułami stacji jeden grubszy moduł, przypominający kształtem konserwę z tuńczykiem, pozwoliłby lepiej wykorzystać przestrzeń (o średnicy 10 m) wewnątrz osłony aerodynamicznej Aresa oraz lepiej zaprojektować środowisko przyjazne ludziom wewnątrz modułu mieszkalnego; ponadto moduł taki ważyłby znacznie mniej. Po rozważeniu roz-

98 • CZAS MARSA

W W

Prom C Prom Z Ares Rys. 3.1. Ewolucja rakiety nośnej: od Promu C, poprzez Prom Z, do Aresa.

maitych projektów wnętrza modułu mieszkalnego Baker przyznał mi rację; zdecydowaliśmy się więc na kształt konserwy z tuńczykiem. Dzięki swej symetrii moduł mieszkalny w kształcie konserwy doskonale nadawał się do umieszczenia wewnątrz składanego układu hamowania atmosferycznego, zaprojektowanego przez Billa Wilcocksona. Moduł mieszkalny wygodnie spoczywałby w środku takiego układu, znajdującego się wewnątrz osłony aerodynamicznej Aresa. Ponieważ pragnęliśmy zaprojektować zestaw pojazdów przydatnych do realizacji misji zarówno marsjańskich, jak i księżycowych (miała to być jednak korzyść dodatkowa, a nie etap pośredni), postanowiliśmy podzielić układ napędowy statku ERY na dwa stopnie. Górny stopień posiadałby własny napęd, wystarczający do bezpośredniego powrotu na Ziemię z powierzchni Księżyca, natomiast oba stopnie razem mogłyby przetransportować na Ziemię statek po-

OPRACOWANIE PLANU • 99

wrotny z powierzchni Marsa. Górny stopień byłby znacznie mniejszy od dolnego, więc Ares mógłby wynieść na Księżyc statek ERY z pełnym zapasem paliwa (wytwarzanie paliwa rakietowego na Księżycu jest możliwe, lecz niewskazane podczas pierwszej wyprawy z uwagi na konieczność rozdrabniania skał). W ten sposób rakieta nośna Ares, moduł mieszkalny, dwustopniowy statek powrotny i moduł układu hamowania atmosferycznego stanowiłyby zwarty (a więc tani) komplet elementów, które można różnie zestawiać, aby spełnić wymagania Inicjatywy Badań Kosmicznych (SEI), związane z wyprawami i na Księżyc, i na Marsa. Projekty przybrały postać trójwymiarowych rysunków technicznych dzięki pomocy Boba Spencera, inżyniera od projektowania wspomaganego komputerowo (CAD, od ang. Computer Assisted Design), oraz Roberta Murraya, firmowego artysty (tak, artysty, gdyż dobry artysta inżynier wnosi do projektu ogromny wkład, zmuszając do zastanowienia się, jak „to" pasuje do „tamtego" oraz jak „stąd" dostać się „tam").

Baker opowiadał się za załogą trzyosobową, kierując się przesłankami minimalistycznymi, podczas gdy ja wolałem załogę pięcioosobową. Popracowaliśmy nad logistyczną stroną wyprawy i okazało się, że możemy przewieźć ładunek, wystarczający dla czterech osób. Stanęło zatem na załodze czteroosobowej. (Wybór okazał się prosty, a ja się przekonałem, że w pierwszą załogową wyprawę na Marsa należy wysłać czworo astronautów, co wyjaśniam w dalszej części książki).

Pewnego razu, gdy kończyliśmy prace projektowe, wszedłem do gabinetu Bakera, siadłem za biurkiem i powiedziałem: „Plan potrzebuje nazwy, która oddaje sedno koncepcji. Chcemy dotrzeć na Marsa bezpośrednio, zarówno w sensie konstrukcji - rezygnując z budowy infrastruktury orbitalnej i księżycowej, jak i w sensie fizycznym - wysyłając bezpośrednio statki na rakietach nośnych z powierzchni Ziemi na Marsa oraz z powrotem, bezpośrednio z powierzchni Marsa na Ziemię. Chodzi mi po głowie coś jak »Projekt bezpośredni« lub »Mars bezpośrednio«". David spojrzał na mnie i odrzekł: „Racja... A co powiesz na nazwę... »Bezpośrednio na Marsa« (ang. Mars Direct)?" Wystarczyło, że powiedział to raz.

100 • CZAS MARSA

Po zakończeniu prac przekazaliśmy projekt zespołowi do opracowywania scenariuszy i grupie dyrektorów zarządzających. Ben Clark zapełnił dobrych parę stron podchwytliwymi pytaniami i krytycznymi uwagami na temat projektu; my zaś zdołaliśmy pomyślnie odpowiedzieć, również w formie pisemnej, na wszystkie uwagi i pytania. Al Schallenmuller, wiceprezes cywilnych systemów kosmicznych Martin Marietta, był bardzo poruszony projektem, ponieważ wszystkie elementy konieczne do jego realizacji można opracować i wykonać stosunkowo prosto i w niedługim czasie. Odwołując się do doświadczeń zdobytych w Skunkworks, Al zgodził się z moją oceną, że projekt Mars Direct umożliwia wysłanie ludzi na Marsa w ciągu najbliższych dziesięciu lat, i postanowił polecieć z nami do Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla w Huntsville, w stanie Alabama, z zamiarem przedstawienia projektu NASA.

Nie spodziewaliśmy się dobrego przyjęcia, gdyż Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla to jeden z najbardziej konserwatywnych ośrodków NASA i, jak sądziłem, było mało prawdopodobne, by jego pracownicy zaaprobowali tak radykalny plan jak Mars Direct Ponadto oczekiwałem, że natkniemy się na barierę regionalizmu; przecież projekt „został wymyślony gdzie indziej". Pół żartem, pół serio powiedziałem wówczas Bakero-wi, że przewiduję następującą reakcję Centrum Marshalla na projekt Mars Direct: „Mój tata nie latał na Marsa w ten sposób, ani jego tata nie latał na Marsa w ten sposób, więc nie potrzebujemy tu żadnych cholernych jankesów z Północy, pouczających nas, jak mamy latać na Marsa".

Jak się okazało, byłem w błędzie. Przygotowaliśmy się do prezentacji projektu jak dwaj zapaśnicy. Tymczasem zostaliśmy wysłuchani w pełnej napięcia ciszy. Zespół z Centrum Marshalla, zajmujący się planami SEI, istotnie był konserwatywny, lecz właśnie dlatego projekt Mars Direct wywołał podniecenie. Pracownicy centrum na długie miesiące ugrzęźli w potopie pompatycznych planów montażu ogromnych statków międzyplanetarnych na orbicie, co uważali za pomysł całkowicie pozbawiony sensu. Gdy wyjaśniliśmy, w jaki sposób można wysłać załogową misję na Marsa za pomocą dwóch

OPRACOWANIE PLANU • 101

startów rakiety nośnej takiej jak Saturn 5, zabłysły oczy weteranów programu Apollo; zdawały się mówić: „Hej, wreszcie coś, co naprawdę można zrobić!" Szef zespołu SEI z Centrum Mar-shalla, Gene Austin, zaprosił Bakera i mnie do swojego gabinetu, by przez dwie godziny (rzecz niesłychana) dyskutować o projekcie; najpierw chciał dokładniej poznać koncepcję, a potem udzielił rad, w jaki sposób przedstawić plan w Centrum Kosmicznym im. Johnsona i innych miejscach.

W Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla projekt zaprezentowaliśmy 20 kwietnia 1990 roku. W ciągu następnych paru tygodni odwiedziliśmy wszystkie ważniejsze ośrodki NASA, zajmujące się Inicjatywą Badań Kosmicznych (SEI), i w podobny sposób przedstawialiśmy nasz plan, wszędzie spotykając się z żywym przyjęciem. 30 maja, w dniu amerykańskiego święta narodowego, które upamiętnia żołnierzy, poległych na służbie podczas wszystkich wojen (Memorial Day), miałem sposobność wygłosić wykład na zakończenie plenarnych obrad konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Kosmicznego (National Space Society), odbywającej się w Anaheim. Zgotowano mi owację na stojąco. Tydzień później wraz z Bakerem zaprezentowaliśmy projekt podczas zwołanej w Boulder konferencji Case for Mars (odbywającego się co trzy lata zgromadzenia Mars Underground; więcej informacji na ten temat podaję pod koniec rozdziału). Zdobyliśmy Boulder szturmem, następnego zaś dnia „Boston Globe" opublikował na pierwszej stronie artykuł „Nowa propozycja wyprawy na Marsa", napisany przez Da-vida Chandlera, dziennikarza o ogromnym doświadczeniu w zakresie nauk ścisłych. Artykuł ten trafił na łamy setek innych gazet. W ten sposób projekt Mars Direct znalazł się w światłach rampy.

Latem na różnych konferencjach i w ośrodkach NASA przedstawiliśmy wraz z Bakerem, razem lub osobno, zarys naszego planu, a ponadto opublikowaliśmy szczegółowy projekt misji w „Aerospace America" - miesięczniku przemysłu kosmicznego. Choć wszędzie, gdzie trafialiśmy, udawało się nam nawrócić część słuchaczy, przygotowania do kontrataku już trwały. Wpływowe kręgi w NASA, powiązane z programem sta-

102 • CZAS MARSA

cji kosmicznej, były nieprzychylne projektowi Mars Direct, gdyż pociągnął on za sobą rezygnację z budowy stacji i rozwoju technik orbitalnego montażu. Osobom w NASA przyjaźnie nastawionym do projektu Mars Direct zasugerowano, by trzymały się od niego z daleka, co spowolniło nasze działania. Wrogi stosunek do projektu Mars Direct okazywały również niektóre (lecz nie wszystkie) frakcje zajmujące się zaawansowanymi technikami napędu rakietowego: obawiano się o przyszłość prowadzonych prac i stawiano wyprawie na Marsa wymagania, którym mogłyby sprostać jedynie ich własne, przyszłe rozwiązania. Konieczność negowania zasadności takich wymogów dodatkowo spowolniła nasz pochód. Blitzkrieg przekształcał się w wojnę pozycyjną.

Temperament Bakera nie pasował do tak zaciekłych zmagań. Coraz bardziej oczywista stawała się konieczność zmiany intelektualnego paradygmatu, tymczasem biurokracja NASA, tępo obstająca przy swoich megafantazjach, wycenionych na 450 miliardów dolarów, sprawiała, że Kongres wciąż odmawiał finansowania SEI. Pesymizm Davida rósł. W lutym 1991 roku powrócił do studiów (Uniwersytet Kolorado), zdobył tytuł magistra i założył własną firmę konsultingową.

Będąc wiecznym optymistą, samodzielnie przemierzałem Stany Zjednoczone, wygłaszając dziesiątki wykładów, pisząc prace oraz liczne artykuły do rozmaitych czasopism. Administracja prezydenta Busha skłoniła wiele osobistości do współpracy w honorowym komitecie, zwanym Grupą Syntetyczną, pod przewodnictwem astronauty z misji Apollo, generała Tho-masa Stafforda. Komitet miał przedstawić nową koncepcję badań kosmicznych w miejsce nieszczęsnego Raportu 90-dnio-wego. Przedstawiłem grupie zarys projektu Mars Direct, a następnie starałem się przekonać do niego najważniejszych członków komitetu. Opublikowany w maju 1991 roku raport, przygotowany przez Grupę Syntetyczną4, przyniósł rozczaro-

4 T. Stafford i in.: America at the Threshold: Report of the Synthesis Group on Ame-rica's Space Exploration Initiative, U.S. Government Printing Office, Waszyngton, DC, maj 1991.

OPRACOWANIE PLANU • 103

wanie: grupa zignorowała idee Mars Direct i opowiedziała się za badaniami Marsa, wykorzystującymi olbrzymi statek kosmiczny na napęd jądrowy - nieznacznie unowocześniony pomysł Wernhera von Brauna z 1969 roku. Choć Mars Direct nie został wspomniany w raporcie, umieszczono w nim wiele fundamentalnych założeń mojego projektu. Montaż statku na orbicie został potraktowany jako zdecydowany minus planu. Natomiast możliwość spędzenia dłuższego czasu na Marsie uznano za plus - zauważono wreszcie, że od lądowania na Czerwonej Planecie i szybkiego powrotu ważniejsze jest dokonanie na niej czegoś pożytecznego. Wprawdzie do realizacji w pierwszej kolejności zaproponowano misję opozycyjną (wymagającą dużego zużycia paliwa i krótkiego okresu przebywania na powierzchni), co w oczywisty sposób świadczy o pozostałościach konserwatywnego rozumowania, niemniej przyjęto, że wszystkie następne wyprawy będą misjami ko-niunkcyjnymi (niskie zużycie paliwa, długi pobyt na powierzchni). Moja propozycja wykorzystania procesów chemicznych do produkcji na Marsie paliwa metanowo-tlenowego została uznana za godną opracowania, nawet gdyby miała zostać wykorzystana dopiero w dalszych misjach. Wszystko to świadczyło o postępie. Jesienią 1991 roku na horyzoncie pojawiło się jaśniejsze światło: najbardziej wartościowy członek Grupy Syntetycznej, Mikę Griffin, został powołany na stanowisko dyrektora NASA ds. badań kosmicznych, któremu podlegały prace związane z SEI. Spotkałem się z opinią, że Griffin jest osobą obdarzoną intelektem oraz zupełnie odmienną od typowych biurokratów o ograniczonych umysłach; pomyślałem sobie: „gdybym tylko mógł się do niego dostać..." Do Grif-fina nie miałem dostępu, więc przeprowadziłem atak na jego przyjaciół, z których niektórzy byli jednocześnie moimi przyjaciółmi. W końcu w czerwcu 1992 roku dostałem się do gabinetu Griffina, gdzie mogłem zaprezentować koncepcję Mars Direct Poszło mi zupełnie nieźle. Griffin czytał kilka moich artykułów i miał w związku z nimi parę pytań, na które udzieliłem odpowiedzi. Zadzwonił do Billa Ballhausa (Al Schallen-muller nie zajmował się już wówczas inicjatywą SEI), prezesa

104 • CZAS MARSA

ds. cywilnych systemów kosmicznych Martin Marietta, i „poprosił" go o przeznaczenie do mojej dyspozycji funduszy na opracowanie bardziej szczegółowego zarysu koncepcji Mars Direct, który miał być przedstawiony podlegającej Griffinowi grupie planistów w Centrum Kosmicznym im. Johnsona (JSC) NASA. (Trzeba wiedzieć, że w przemyśle lotniczym i kosmicznym „prośba" ze strony dyrektora NASA traktowana jest znacznie poważniej niż zwykłe prośby). Griffin wkrótce się przekonał, że i ta jego prośba została potraktowana poważnie.

Wszystko potoczyło się gładko, ponieważ - o czym wówczas nie wiedziałem - projekt Mars Direct spodobał się Griffinowi na tyle, że sam go zaprezentował nowo mianowanemu dyrektorowi NASA, Danowi Goldinowi, który również dołączył do grona zwolenników. W rezultacie, gdy w październiku 1992 roku pojawiłem się w JSC z wykładem na temat Mars Direct, zastałem dobrze przygotowanych słuchaczy.

Grupa badawcza z JSC wysłuchała mnie i pozytywnie odniosła się do przedstawionych propozycji, choć nie bez zastrzeżeń. Pojawiły się głosy, że całkowita masa wyprawy została zaniżona i że załoga powinna składać się z sześciu osób, więc należałoby użyć rakiety nośnej o większej mocy niż Ares. Dave Weaver, główny projektant wyprawy, był też podejrzliwie nastawiony wobec uzależnienia misji od produkcji materiałów napędowych na Marsie. Co prawda wytwarzanie paliwa na Marsie ma zakończyć się przed wysłaniem astronautów, więc załodze nie grozi uwięzienie na powierzchni obcej planety, lecz projekt by się nie powiódł, gdyby nie udało się wyprodukować materiału napędowego. Poszliśmy do gabinetu Weavera, gdzie długo dyskutowaliśmy i w końcu wypracowaliśmy kompromisowe, nie budzące jego wątpliwości rozwiązanie.5 Projekt ten nazwałem Niemal bezpośrednio na Marsa (ang. Mars Semi-Di-rect, patrz: rys. 3.2). Przewiduje on trzy starty w czasie każdej misji: najpierw wysłanie na powierzchnię Marsa pojazdu star-

5 R. Zubrin, D. Weaver: Practical Methods for Near-Term Piloted Mars Missions, AIAA 93-2089, 29th AIAA/ASME Joint Propulsion Conference, Monterey, Kalifornia, 28-30 czerwca 1993. Przedruk: „Journal of the British Interplanetary So-ciety", lipiec 1995.

OPRACOWANIE PLANU • 105

towego, samodzielnie zaopatrującego się w paliwo, wraz z licznym sprzętem i zapasami; następnie umieszczenie na wysokiej orbicie areocentrycznej kabiny powrotnej dla załogi wraz ze stopniem rakiety o napędzie chemicznym (metan/tlen); i wreszcie wysłanie na powierzchnię Marsa załogi w module mieszkalnym. Zgodnie z tym planem nie jest konieczne wytworzenie paliwa w ilości niezbędnej, by umożliwić powrót załogi bezpośrednio z powierzchni Marsa na Ziemię, a jedynie tyle, by marsjański pojazd startowy zdołał wynieść załogę na wysoką orbitę areocentryczną na spotkanie z orbitującą kabiną powrotną i chemicznym stopniem napędowym, który przetransportuje astronautów z powrotem na naszą planetę. Marsjański pojazd startowy jest lekki, tak że gdy wyposaży się go w pełny zapas paliwa, nie obciążając niczym innym, może zostać wysłany na powierzchnię Marsa przy użyciu jednej ciężkiej rakiety nośnej. Gdyby więc nie powiodła się lokalna produkcja materiału napędowego, można uratować program za pomocą startu czwartej rakiety nośnej. Projekt Mars Semi-Direct mniej mi się podobał od pierwotnego pomysłu Mars Direct, gdyż ograniczenie zastosowania paliwa wytworzonego na Marsie prowadziło także do zmniejszenia osiągniętych korzyści. Zamiast dwóch startów i dwóch statków kosmicznych plan Mars Semi-Direct przewiduje trzy starty i trzy statki, a każdy dodatkowy start oraz pojazd znacznie podraża misję. Ponadto jako element drogi powrotnej wprowadza spotkanie na orbicie mar-sjańskiej o krytycznym znaczeniu dla powodzenia wyprawy. Pomimo wszystko projekt Mars Semi-Direct stanowił ogromny postęp w stosunku do wcześniejszych propozycji NASA: wszystkie ładunki wysyłane bezpośrednio za pomocą rakiet nośnych, rezygnacja z orbitalnego montażu wielkich statków kosmicznych, długi pobyt na powierzchni Marsa z wykorzystaniem lokalnych zasobów - począwszy od pierwszej wyprawy. Był to kompromis, ale kompromis sensowny i możliwy do przyjęcia. Mikę Duke i Humbolt „Hum" Mandell, osoby stosunkowo wysoko postawione w JSC, szybko stali się gorącymi rzecznikami projektu Mars Semi-Direct, który błyskawicznie zdobył w JSC wielu zwolenników.

106 • CZAS MARSA

W 1993 roku Weaver powołał spory zespół badaczy z wielu ośrodków NASA. Zadaniem zespołu było szczegółowe opracowanie projektu Mars Semi-Direct. Uczestniczyłem w tych pracach jako doradca. W dużym zespole ponownie wyraźnie uwidoczniły się tendencje odśrodkowe. Przedstawiciele rozmaitych programów badawczych starali się nagiąć projekt tak, by zapewnić swoim pracom jak największe znaczenie. Kierowanie zespołem w zasadzie niewiele różniło się od zaganiania owiec do stada. Zespół zdołał jednak opracować - rozdęty wprawdzie, lecz nadający się do realizacji - plan, będący rozbudowaną wersją koncepcji Mars Semi-Direct. Plan trafił następnie do tej samej komisji, która oceniła koszty realizacji Raportu 90-dniowego na 450 miliardów dolarów. Analiza obejmowała zaprojektowanie i zbudowanie wszelkiego potrzebnego sprzętu, w tym rakiety nośnej o większej mocy niż Ares, i wysłanie trzech misji na Marsa; nie zakładano żadnego dzielenia kosztów opracowania wyposażenia misji mar-sjańskiej z misjami księżycowymi. Bilans zamknął się kwotą 55 miliardów, co stanowi jedną ósmą kosztów pierwotnego planu, zawartego w Raporcie 90-dniowym. W lipcu 1994 roku o prowadzonych pracach dowiedział się „Newsweek"; na jego okładce pojawiło się pytanie: „Czyżby załogowa wyprawa na Marsa?", a wewnątrz informacja: „Dysponujemy już potrzebnymi technologiami, a cena 50 miliardów dolarów wydaje się bardzo korzystna w porównaniu z poprzednią, dziesięciokrotnie wyższą".

Wśród osób zajmujących się problemem panuje zgoda co do tego, że projekt, odwołujący się do koncepcji Mars Direct, jest jedynym wykonalnym planem wysłania ludzi na Marsa, biorąc pod uwagę względy finansowe, technologiczne i polityczne. Mars Direct to plan dla nas, a nie dla przyszłych pokoleń. Załogowa misja na Marsa może zostać zaprojektowana przez współczesnych inżynierów i zrealizowana z udziałem żyjących dziś astronautów.

W następnym rozdziale przyjrzymy się dokładniej projektowi Mars Direct, krok po kroku, analizując wszystkie jego elementy i zastanawiając się, co oferuje nie tylko w kwestii wysłania lu-

OPRACOWANIE PLANU • 107

moduł mieszkalny i (bez zatogt)

MAV (bez zatogi)

ERV (bez zatogi) roki

Mars

3 (z załogą)

(bez zatogi)

rok 3

[»Qo

(z załogą)

Rys. 3.2. Kolejne etapy misji Mars Semi-Direct. Co dwa lata startują trzy rakiety nośne. Jedna wyśle na Marsa astronautów w module mieszkalnym, pozostałe dwie - ładunki bezzałogowe: marsjański pojazd startowy (MAY, ang. Mars Ascent Yehicle) i statek powrotny (ERY, ang. Earth Return Yehicle). Gdy nadchodzi czas powrotu na Ziemię, załoga wsiada do MAY i rusza na spotkanie z krążącym po orbicie ERY, by przesiąść się do niego i dotrzeć na jego pokładzie na Ziemię. W pierwszym roku misji zostaje wysłany moduł mieszkalny bez załogi, stanowiąc rezerwowy moduł mieszkalny dla pierwszej załogi, która przybywa w module mieszkalnym wysłanym w trzecim roku misji.

dzi na Marsa, lecz także pod względem badań, kolonizacji oraz przekształcenia Czerwonej Planety.

108 • CZAS MARSA

MARS UNDERGROUND

Czasami niewielka grupa osób może przekrzyczeć panujący zgiełk, jak bez wątpienia udało się to w przypadku projektu wyprawy na Marsa.

Dziesięć lat po zakończeniu misji Apollo projekty wysłania ludzi na Marsa zeszły w NASA na plan dalszy, gdyż agencja starała się przede wszystkim zbudować zdatny do latania prom kosmiczny. W NASA prawie w ogóle nie prowadzono prac nad załogowymi badaniami Marsa, lecz na początku lat osiemdziesiątych w środowisku osób związanych z badaniami kosmosu zaczęto snuć rozważania, dotyczące wysłania ludzi na Czerwoną Planetę. Była to przede wszystkim zasługa grupy osób, zwanej Marsjańskim Podziemiem (Mars Undergro-und). Aby zrozumieć, w jaki sposób zrodziło się to podziemie, musimy cofnąć się do 1978 roku, sennego okresu przejściowego między stacją Skylab a promem kosmicznym. Ostatni lot misji Apollo odbył się w lipcu 1975 roku. Nie był to lot na Księżyc, lecz tylko na niską orbitę okołoziemską, na spotkanie z radzieckim statkiem. Pomiędzy lotem ostatniej ekspedycji załogowej na stację Skylab w listopadzie 1973 roku a startem statku Apollo w 1975 roku nie wysłano w przestrzeń kosmiczną żadnego amerykańskiego astronauty. Sondy Voya-ger, mające za zadanie zbadać olbrzymie gazowe planety, najdalszych sąsiadów Ziemi w Układzie Słonecznym, wyruszyły w kosmos w 1977 roku; rok później sondy Pioneer--Yenus l i 2 poleciały na Wenus, gdzie miały dotrzeć pod koniec 1978 roku. Prom kosmiczny wystartował dopiero w kwietniu 1981 roku. W każdym razie rok 1978 był dla badaczy kosmosu okresem stosunkowo sennym, pobudzającym żywe umysły do podejmowania dziwacznych rozważań, na przykład o przekształcaniu planet. Wtedy właśnie Chris McKay, pracujący nad rozprawą doktorską z astrogeofizyki na Uniwersytecie Kolorado, zaczął prowadzić seminarium na temat terraformowania Marsa.

Pomysł seminarium narodził się podczas dyskusji na korytarzach i sesji piwnych w stołówce dla doktorantów, podczas

OPRACOWANIE PLANU • 109

których omawiano nędzne, lecz intrygujące wyniki badań sond Viking. Mars sprawiał wrażenie planety pozbawionej życia, ale sądzono, że mógł ponownie stać się ciepły i wilgotny dzięki rozumnemu zastosowaniu inżynierii planetarnej podczas terra-formowania. Do McKaya przyłączyli się: Carol Stoker, koleżanka McKaya z astrogeofizycznych studiów doktoranckich; Penelope Boston, studentka biologii i dawna znajoma McKaya; Tom Meyer, prezes ł właściciel firmy inżynierskiej oraz przyjaciel McKaya z dawnych lat; informatyk Steve Welch oraz grupka innych - w sumie około 25 osób. Charles Barth, dyrektor Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Komicznej Uniwersytetu Kolorado w Boulder, odgrywający rolę mentora i doradcy, pomógł zespołowi przekształcić nieformalne dyskusje w formalne seminarium, zatytułowane „Możliwości zamieszkania na Marsie".

Podczas pierwszego semestru uczestnicy seminarium zrozumieli, zgodnie z delikatnymi sugestiami Bartha, że zagadnienie terraformowania Marsa było zbyt poważnym tematem nawet dla słuchaczy studiów doktoranckich. Zdali sobie także sprawę z tego, że"choć dysponowali licznymi teoriami, mieli skąpe dane. Bez większej ilości danych dyskusje na temat terraformowania Marsa, choć intrygujące i ciekawe, prowadziły donikąd. Potrzeba było więcej informacji, możliwych do uzyskania jedynie podczas załogowej wyprawy na Marsa: o obecnej atmosferze, o atmosferze w przeszłości, o substancjach lotnych, zasobach naturalnych itd. Grupa zaczęła więc interesować się perspektywą wysłania ludzi na Marsa w bliskiej przyszłości i przedstawiła swe wnioski we Wstępnym raporcie grupy badawczej Marsa. Barth dostarczył raport do centrali NASA, a wkrótce potem zaczęły się rozchodzić wieści, że w Boulder grupa doktorantów z entuzjazmem i rozumnie prowadzi badania możliwości wysłania ludzi na Marsa oraz terraformowania tej planety. Niektórzy uczestnicy seminarium ciułali pieniądze i pakowali się do samochodów, by odwiedzać rozmaite konferencje na temat badań kosmicznych, gdzie czasami udawało się spotkać kogoś dzielącego ich pasję, zarażonego entuzjazmem, wizją i inteligencją grupy z Boulder.

110 • CZAS MARSA

Wiosną 1980 roku na konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Astronautycznego (AAS, ang. American Astronautical Society] w Waszyngtonie McKay i Boston natknęli się na Leonarda Davida. Przez ostatnich parę lat David zajmował się organizowaniem studenckich spotkań, poświęconych badaniom kosmicznym, i w związku z tym słyszał o ekipie z Boulder. McKay, Boston i David szybko się dogadali i zaczęli omawiać badania Marsa, a na koniec David zasugerował, że należy zorganizować konferencję na temat badań Marsa przez ludzi. Powierzenie organizacji konferencji, poświęconej badaniom planet, grupie dwudziestoparoletnich doktorantów było raczej nowatorskim pomysłem; stwierdziwszy jednak: „a dlaczegóż by nie?", garstka marsjańskich entuzjastów (którzy rzeczywiście nie mieli nic do stracenia) przystąpiła do ostrożnego planowania. McKay, Boston, Welch, Meyer, Stoker oraz Roger Wilson, również student Uniwersytetu Kolorado, zaczęli tworzyć listę interesujących tematów i potencjalnych prelegentów. Stosując znane tylko doktorantom partyzanckie metody, zdołali skopiować w około stu egzemplarzach zawiadomienia o planowanej konferencji i je rozesłać. Ku sporemu zdziwieniu organizatorów prędko zaczęły nadchodzić zgłoszenia - zarówno od osób pragnących uczestniczyć w konferencji, jak i od badaczy, którzy chętnie zabraliby głos. Zaczerpnąwszy nazwę z brzemiennego w skutki artykułu „The Case for Humans on Mars", opublikowanego w 1978 roku przez Bena Clarka, naukowca z misji Yiking, pod koniec kwietnia 1981 roku grupa z Boulder zorganizowała pierwszą konferencję z cyklu Case for Mars.

W konferencji ostatecznie uczestniczyło zaledwie około 100 osób, lecz dla organizatorów było to wielkie zgromadzenie, ponieważ dotychczas członkowie grupy z Boulder czuli się niczym samotni wędrowcy na dzikich pustkowiach i sądzili, że niewiele osób posiadających odpowiednią wiedzę interesuje się rozpoczęciem poważnych badań nad wysłaniem ludzi na Marsa. Tymczasem znaleźli się tacy na konferencji, na której dyskutowano o wykorzystaniu zasobów planety, systemach podtrzymywania funkcji życiowych i możliwych napędach

OPRACOWANIE PLANU • 111

rakietowych. Uświadomienie sobie, że więcej osób dzieli ich pasję, było dla grupy z Boulder przeżyciem pokrzepiającym, ekscytującym i wyzwalającym. Z Waszyngtonu przyjechał Leonard David z pakunkiem czerwonych znaczków, na których pod logo Casefor Mars (przedstawiającym ludzką figurę w stylu Leonarda da Vinci wewnątrz starożytnego symbolu Marsa) umieszczone były słowa Mars Underground. Krótki opis, towarzyszący każdemu ze znaczków, głosił, że nosząca go osoba jest członkiem Mars Underground - zawiązanej ad hoc grupy marsjańskich zapaleńców („silnie powiązanej, lecz luźno splecionej"), oraz że znaczek należy nosić dyskretnie, przypięty pod klapą lub nawet wewnątrz płaszcza. W trakcie czterodniowej konferencji, podczas licznych warsztatów i wykładów, ukształtował się plan badań Czerwonej Planety przez ludzi z Mars Underground: argumenty przemawiające za programem, pierwsze załogowe misje na Marsa, harmonogram misji oraz rozkład zajęć na powierzchni dla astronautów. Całkiem niezły rezultat, jak na konferencję przygotowaną przez garstkę doktorantów.

Kolejne konferencje z serii Case/orMars odbywały się co trzy lata. Omawiano wyniki poprzedniej konferencji i uwzględniano nowe rezultaty. Druga konferencja, zorganizowana w 1984 roku, zaowocowała kompletnym, wyczerpującym projektem wyprawy na Marsa; na podstawie tego projektu członkowie Mars Underground przygotowali dwugodzinny odczyt, wygłaszany w siedzibie głównej NASA i w innych ośrodkach agencji. Konferencja z 1984 roku zapisała się w historii również dlatego, że przyciągnęła do grupy osoby o dużych wpływach politycznych, na przykład Thomasa Paine'a, byłego dyrektora NASA. W 1985 roku prezydent Reagan mianował Paine'a na stanowisko szefa honorowej Narodowej Komisji Przestrzeni Kosmicznej, która pod jego kierownictwem zaleciła, by Stany Zjednoczone w ciągu trzydziestu lat ustanowiły na Marsie przyczółek dla ludzkiej obecności na planecie. Reakcją Białego Domu było powołanie w ramach NASA organizacji Kod Z (ang. Code Z) oraz programu Pathfinder, z zadaniem, odpowiednio, planowania strategii wypraw oraz opracowywa-

112 • CZAS MARSA

nią technologii dla badań Marsa i Księżyca. Właśnie te zespoły stały się wewnętrznymi grupami nacisku, które doprowadziły do obwieszczenia przez prezydenta Busha w lipcu 1989 roku Inicjatywy Badań Kosmicznych.

Konferencja Case for Mars III przyczyniła się do dalszego przyspieszenia biegu wypadków. Carl Sagan wygłosił na niej najważniejszy odczyt, którego wysłuchało ponad tysiąc osób, w tym wielu przedstawicieli międzynarodowej prasy. O grupie Mars Underground usłyszałem po raz pierwszy po konferencji Case for Mars II i wraz z ponad czterema setkami wykształconych technicznie osób wziąłem udział w konferencji Case for Mars III, na którą składało się ponad dwieście wykładów i szesnaście warsztatów. Dwutomowa publikacja, zawierająca prace, prezentowane podczas konferencji Case for Mars III, przedstawia strategię badań Marsa - spełniającą wymogi zarówno technologiczne, jak i polityczne - możliwą do zrealizowania. Gdy w 1990 roku w Boulder (jak zawsze) odbywała się czwarta konferencja, wysłanie ludzi na Marsa - o czym wcześniej w NASA nie wolno było mówić - zostało uznane przez odchodzącego prezydenta za długofalowy cel badań kosmicznych. Carol Stoker, odpowiedzialna za zorganizowanie konferencji, brała udział w prywatnym spotkaniu, poświęconym projektowi Mars Direct Projekt bardzo przypadł jej do gustu, więc umożliwiła Davidowi Bakerowi i mnie wygłoszenie podczas plenarnej, otwierającej sesji Mars Underground wykładu na ten temat. Następnego dnia w „Boston Globe" i wielu innych gazetach ukazała się wiadomość, że rozważa się obecnie możliwość wysłania ludzi na Marsa w niedrogi sposób.

Wyznaczanie trajektorii statku kosmicznego w przestrzeni jest zadaniem stosunkowo prostym, zależnym jedynie od praw fizyki. Przewidzenie losu jakiegoś pomysłu, który powstał w określonym systemie politycznym, jest znacznie bardziej ryzykowne. Zapewne z wielu powodów w lipcu 1989 roku prezydent Bush na schodach Narodowego Muzeum Lotnictwa i Badań Kosmicznych w Waszyngtonie ogłosił, że konieczne jest zbadanie Marsa przez ludzi. Z pewnością jednak ważną rolę odegrał cykl konferencji Case for Mars i niewielka grupa osób

OPRACOWANIE PLANU • 113

z Mars Underground; dzięki nim okazało się, że załogowe loty na Marsa to realny i osiągalny cel. Konferencje służyły za kocioł, w którym powstawały i mieszały się idee, podnoszące znaczenie badań Marsa oraz poruszające uczonych i entuzjastów. Trzeba przyznać, że jak na organizację, do której przynależność nie polega na wpisaniu się na listę członków, lecz na dzieleniu entuzjazmu dla badań Marsa i podejmowaniu działań, zmierzających w tym kierunku, znaczenie grupy Mars Underground oraz konferencji Cose for Mars znacznie przerosło ich skromne rozmiary.

To na ich cześć książka ta nosi swój tytuł.6

6 Angielski tytuł książki brzmi The Case for Mars, co w dosłownym tłumaczeniu mogłoby oznaczać: „argumenty przemawiające za Marsem" (przyp. red.).

ROZDZIAŁ 4

LOT NA MARSA

Planowanie długiej podróży rozpoczynamy od wyboru trasy i środka transportu; podobnie postępujemy w przypadku lotu na Marsa.

Misje szybkie i misje dobre

Często spotykamy się z opinią o niewykonalności lotu na Czerwoną Planetę z powodu zbyt wielkiej odległości od Ziemi. Podróż trwałaby bardzo długo, zatem konieczne byłoby rozwinięcie nowych, znacznie bardziej zaawansowanych technologii napędu rakietowego. Zastanówmy się nad tą kwestią.

Mars rzeczywiście leży daleko od Ziemi. W momencie największego zbliżenia, gdy znajduje się po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce {starożytni astronomowie, opierając się na geocentrycznym modelu wszechświata, sytuację taką nazwali opozycją; wkrótce powiemy więcej na ten temat), odległość planety od Ziemi wynosi nieco ponad 56 milionów km. Mars jest najbardziej oddalony od Ziemi wówczas, gdy znajduje się po przeciwnej stronie Słońca niż Ziemia (w starożytności układ taki nazwano koniunkcją); wówczas odległość między planetami sięga 400 milionów km (rys. 4.1). Nie dysponuje-

CZAS MARSA • 115

koniunkcja Marsa

Rys. 4. l. Opozycja i koniunkcja. Podczas opozycji Mars znajduje się względem Ziemi po drugiej stronie niż Słońce. Podczas koniunkcji Mars, obserwowany z Ziemi, skrywa się za Słońcem.

my obecnie wystarczająco potężnymi systemami napędu rakietowego, by przemóc siłę grawitacji Słońca podczas lotu Ziemia-Mars, przebiegającego po linii prostej, łączącej obie planety podczas opozycji Marsa; co więcej, brak nawet koncepcji podobnej technologii. Ponieważ statek kosmiczny opuszczający Ziemię ma jej prędkość, czyli około 30 km/s, będzie okrążać Słońce w tym samym kierunku co Ziemia, dopóki nie zmienimy jego kursu, używając w tym celu ogromnych ilości materiału napędowego. W roku 1925 matematyk niemiecki Walter Hohmann obliczył, że z punktu widzenia oszczędności paliwa najlepszym momentem do odbycia lotu z Ziemi na Marsa jest koniunkcja - sytuacja, gdy planety znajdują się w największej odległości od siebie (rys. 4.2). Rozpoczęcie podróży podczas koniunkcji jest korzystne, gdyż wtedy lot odbywa się po odcinku elipsy, którego początek

116 • CZAS MARSA

orbita Marsa

Rys. 4.2. Możliwe trajektorie Ziemia-Mars: (A) orbita przejściowa Hohmanna, (B) faktyczna misja komunkcyjna, (C) misja opozycyjna.

jest styczny do orbity Ziemi, a koniec do orbity Marsa: minimalizuje to wielkość odpaleń silnika, niezbędnych do oddalenia się od jednego ciała niebieskiego oraz zbliżenia do drugiego. Można oczywiście zboczyć z trajektorii koniunkcyj-nej, lecz im dalej, tym więcej trzeba mieć paliwa, więc tym droższa staje się misja. Gdybyśmy mimo wszystko postanowili wlać do baku trochę więcej paliwa i skrócić przejściową orbitę Hohmanna, i tak oznacza to lot z Ziemi na Marsa po łuku długości przynajmniej 400 milionów km. Czterysta milionów kilometrów to naprawdę daleko. Księżyc znajduje się w odległości „tylko" 400 tysięcy kilometrów od Ziemi. A za-

LOT NA MARSA • 117

tem aby dostać się na Marsa, trzeba przebyć dystans tysiąc razy większy od odległości pokonanej przez astronautów misji Apollo. Lot z Ziemi na Księżyc w jedną stronę trwał trzy dni. Czy znaczy to, że na podróż na Marsa potrzeba trzech tysięcy dni, czyli ośmiu lat?

Na szczęście nie aż tyle. Na Księżyc astronauci misji Apollo lecieli ze średnią prędkością około 1.5 km/s, przy czym ograniczenie to było skutkiem geometrycznych własności wybranej orbity, nie zaś niedoskonałości ówczesnego napędu rakietowego (trzeci stopień Saturna 5 mógł rozpędzić statek do prędkości dwukrotnie lub nawet trzykrotnie większej). Statek Apollo mógłby zatem opuścić Ziemię z prędkością 4,5 km/s1 i dotrzeć na Księżyc w jeden dzień, wówczas jednak należałoby się liczyć ze strasznymi konsekwencjami: niemożliwe byłoby wyhamowanie statku w pobliżu Srebrnego Globu. Nie wystarczyłaby słaba grawitacja Księżyca; cały ciężar wyhamowania statku i umieszczenia go na orbicie wokół Księżyca spadłby na silniki rakietowe. Apollo nie mógłby zwolnić, lecąc z prędkością przekraczającą 1,5 km/s.

Mars ma grawitację silniejszą niż Księżyc, a ponadto - atmosferę. Oba czynniki można wykorzystać podczas manewru hamowania statku. Statek lecący na Marsa może przybyć w pobliże celu ze znacznie większą prędkością, a mimo to zdoła samodzielnie wejść na orbitę okołomarsjańską. Ważna jest następująca okoliczność: statek kosmiczny, który opuszcza Ziemię z prędkością końcową (w specjalistycznym żargonie zwaną prędkością hiperboliczną), wynoszącą 3 krn/s, leci przez Układ Słoneczny szybciej - z prędkością 33 km/s. Wynika to z tego, że opuszczając Ziemię, statek jakby „zeskakuje" z platformy, która porusza się z olbrzymią prędkością 30 km/s (tak szybko Ziemia obiega Słońce). A zatem statek przemierza Układ Słoneczny z prędkością nie 3 km/s, lecz 33 km/s, czyli ponad dwudziestokrotnie szybciej od statków Apollo. (Przy locie na Księżyc nie można skorzystać z tego efek-

1 Ściślej, taka byłaby prędkość statku po oddaleniu się od Ziemi na nieskończoną odległość (przyp. red.)-

118 • CZAS MARSA

tu, ponieważ Księżyc jest związany z Ziemią i porusza się wokół Słońca z taką samą prędkością). Wydobywając się ze „studni grawitacyjnej" Słońca, statek zwalnia nieco z powodu zamiany części energii kinetycznej ruchu na energię potencjalną pola grawitacyjnego, niemniej prędkość lotu wciąż pozostaje duża. Gdy statek dociera w pobliże Marsa, trajektoria koniunkcyjna prowadzi w kierunku równoległym do okołosło-necznej orbity Marsa, po której planeta pędzi z prędkością 24 km/s. Sytuacja ta sprawia, że kiedy statek kosmiczny zbliża się do orbity Marsa, porusza się względem planety z prędkością zaledwie 3 km/s (ponieważ prędkość statku względem Słońca wynosi wówczas mniej więcej 21 km/s) - dość wolno, by wykonać manewr wejścia na orbitę. Lot na Marsa odbywa się z prędkością średnio dwudziestokrotnie większą od prędkości statków Apollo, ale cel podróży znajduje się aż tysiąc razy dalej. Dzieląc 1000 (tyle razy Mars jest bardziej odległy od Księżyca) przez 20 (stosunek prędkości dwóch misji) przekonujemy się, że lot na Marsa będzie trwał w przybliżeniu pięćdziesiąt razy dłużej od trzydniowej podróży astronautów na pokładzie statków Apollo, czyli około 150 dni. Ów czas lotu w jedną stronę otrzymaliśmy, zakładając wykorzystanie współczesnych technologii napędu rakietowego lub technologii z czasów programu Apollo. Okazuje się, że za cenę pewnej dodatkowej ilości paliwa możemy skrócić podróż w jedną stronę do mniej więcej 150 dni - w porównaniu z 258 dniami lotu po nie zmodyfikowanej orbicie przejściowej Hohmanna.

Dotarcie na Marsa to jednak tylko połowa problemu - trzeba potem wrócić na Ziemię. Ziemia i Mars bezustannie krążą wokół Słońca, a ponieważ mają różne prędkości, cały czas zmieniają położenie względem siebie. Skoro tylko niektóre konfiguracje planet są odpowiednie do rozpoczęcia podróży powrotnej, od wyboru trajektorii zależy czas trwania lotu Mars-Ziemia, a także chwila „otwarcia" okna startowego, czyli moment wyruszenia w drogę powrotną. Komplikuje to trochę opracowanie harmonogramu powrotnej załogowej wyprawy na Marsa, niemniej, biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, okazuje się, że mamy wybór między misjami klasy koniunkcyjnej

LOT NA MARSA • 119

Tab. 4.1. Czas trwania lotu i pobytu na powierzchni planety w marsjańskiej misji koniunkcyjnej i opozycyjnej.

MISJA KLASY KONIUNKCYJNEJ MISJA KLASY OPOZYCYJNEJ

Lot Ziemia-Mars 180 dni 180 dni

Lot Mars-Ziemia 180 dni 430 dni

Pobyt na powierzchni planety 550 dni 30 dni

Całkowity czas trwania misji 9 10 dni 640 dni

Wielkość AV podczas misji 6,0 km/s 7,8 km/s

Przelot koło Wenus zbędny konieczny

Średnia dawka

promieniowania podczas misji 52 remy 58 remów

Czas przebywania w zerowej grawitacji 360 dni 6 10 dni

Koszty realizacji misji najniższe najwyższe

Cele osiągnięte dzięki misji naj poważniej sze najmniej ważne

Ryzyko towarzyszące misji najniższe najwyższe

i klasy opozycyjnej. Tabela 4.1 podaje parametry charakteryzujące oba rodzaje misji.

Rozważmy przykładową misję koniimkcyjną, „misję o minimalnym zapotrzebowaniu na energię", składającą się z odcinków orbit przejściowych Hohmanna podczas obu etapów podróży, zarówno z Ziemi na Marsa, jak i z powrotem - z Marsa na Ziemię. Misja taka jest najtańsza w realizacji, za to lot na Marsa trwa 258 dni (i tyle samo - rejs powrotny). Czas taki jest odpowiedni dla statków towarowych, załogę dobrze byłoby przewieźć szybciej. Na szczęście z obliczeń wynika, że skrócenie czasu lotu w jedną stronę do 180 dni nie wymaga zbyt wiele dodatkowego paliwa - projekt Mars Direct zakłada właśnie 180 dni lotu na Marsa. W konsekwencji załoga musi pozostać na powierzchni Czerwonej Planety aż 550 dni, więc w sumie marsjańska misja trwałaby 910 dni.

Plan misji opozycyjnej przewiduje lot w jedną stronę, na przykład z Ziemi na Marsa, po identycznej trajektorii, jak

120 • CZAS MARSA

w misji koniunkcyjnej, natomiast zupełnie inny powrót. W drodze powrotnej bardzo wiele paliwa rakietowego pochłania umieszczenie statku na trajektorii, prowadzącej nie wprost na Ziemię, lecz w wewnętrzne rejony Układu Słonecznego, w pobliże Wenus. Chodzi o uzyskanie - w wyniku przelotu koło Wenus - wsparcia grawitacyjnego, katapultującego statek w kierunku Ziemi. Gdy zaplanujemy taki manewr, okno startowe dla powrotu z Marsa na Ziemię otworzy się wkrótce po przybyciu na Czerwoną Planetę. Choć lot powrotny Mars-Ziemia trwa dużo dłużej niż w przypadku orbity przejściowej Hoh-manna, na całą misję opozycyjną potrzeba prawie dziesięć miesięcy mniej niż na misję koniunkcyjną: w przybliżeniu 600 dni zamiast 900.

Autorzy Raportu 90-dniowego NASA wybrali misję opozycyjną właśnie z uwagi na krótszy całkowity czas trwania wyprawy. W ich ślady poszło wiele osób, przyjmując, że wykorzystanie misji opozycyjnych jest nieuniknione. Czy naprawdę? Z misjami opozycyjnymi wiążą się większe wymagania co do mocy napędu rakietowego, gdyż różnica prędkości AV, potrzebna do przyspieszenia bądź wyhamowania statku kosmicznego, wynosi 7,8 km/s - w porównaniu z 6,0 km/s dla misji koniunkcyj-nych. (AV to różnica prędkości, jaka jest wymagana, by przenieść statek z jednej orbity na inną). Ponadto konieczność wykorzystania paliwa, przechowywanego w zbiornikach w przestrzeni kosmicznej, do zapewnienia ciągu podczas manewru przejścia z okołomarsjańskiej orbity parkingowej na trajektorię rejsową Mars-Ziemia spowoduje, że podczas misji opozycyjnej masa startowa statku będzie aż dwukrotnie większa od masy statku w wyprawie koniunkcyjnej. W rzeczywistości warunki realizacji wypraw opozycyjnych są jeszcze gorsze, ponieważ tabela 4. l podaje wartości AV konieczne jedynie do wykonania - na LEO (niskiej orbicie okołoziemskiej) lub orbicie okołomarsjańskiej - manewru przyspieszenia statku kosmicznego i wejścia na międzyplanetarną trajektorię rejsową; innymi słowy, przy założeniu przeprowadzenia hamowania atmosferycznego przed wejściem na orbitę wokół Marsa lub Ziemi. Statek misji opozycyjnej byłby jednak na to zbyt ciężki, co powoduje ko-

LOT NA MARSA • 121

nieczność wykorzystania silników rakietowych do spowolnienia statku przed lądowaniem, jeszcze bardziej zwiększając wartość AV i koszty wyprawy. Sytuacja komplikuje się do tego stopnia, że misja opozycyjna nie obyłaby się bez statków kosmicznych o termicznym napędzie jądrowym (NTR), pozwalającym uzyskać ponad dwukrotnie większą prędkość gazów odrzutowych niż w przypadku napędu chemicznego. (Z tego powodu misja opozycyjna cieszyła się również poparciem osób, opowiadających się za zbudowaniem statków o termicznym napędzie jądrowym).

Dlaczego jednak tak ważną rzeczą jest skrócenie czasu trwania wyprawy? Z reguły słyszymy w odpowiedzi, że chodzi o maksymalne ograniczenie przebywania astronautów w niezdrowych warunkach zerowej grawitacji i silnego promieniowania kosmicznego. A przecież właśnie misje opozycyjne, podczas których załoga prawie cały czas spędza w przestrzeni kosmicznej, wiążą się z najdłuższym przebywaniem w zerowej grawitacji. Podobnie jest z promieniowaniem kosmicznym: szacuje się, że dawka promieniowania, otrzymywana w przestrzeni kosmicznej, jest mniej więcej czterokrotnie wyższa niż na powierzchni Marsa, pod warstwą atmosfery i materii powierzchniowej (nawet bez stosowania takich najprostszych metod ochrony przed promieniowaniem, jak umieszczenie worków z piaskiem na dachu pomieszczeń mieszkalnych). Zatem podczas znacznie dłuższej misji koniunkcyjnej dawka promieniowania jest i tak nieco niższa od dawki otrzymywanej w trakcie misji opozycyjnej.

Niezależnie od tego, co zostało powiedziane, musimy zrozumieć, że obie szacunkowe dawki promieniowania, podane w tabeli 4.1, nie stanowią jakiegoś szczególnego niebezpieczeństwa. Dawka 60 remów, otrzymywana podczas kilkuletniej wyprawy na Marsa i z powrotem, powoduje wzrost o 1% ryzyka zachorowania na śmiertelną odmianę raka u kobiety mającej 35 lat; u mężczyzny w tym samym wieku wzrost ryzyka zachorowania na śmiertelną odmianę raka o 1% powoduje kilka lat ekspozycji na promieniowanie 80 remów. Z pewnością podczas załogowego lotu na Marsa promieniowanie nie jest głównym czynnikiem ryzyka.

122 • CZAS MARSA

Okazuje się, że wybór misji opozycyjnej daje iluzoryczne korzyści, za to związane z nią niedogodności są zupełnie realne. Wyprawy opozycyjne wymagają potężniejszego napędu, czyli cięższych rakiet nośnych, co powoduje wzrost kosztów. Ogromna masa startowa misji opozycyjnych przesądza o orbitalnym montażu członów statku, a na orbicie - w przeciwieństwie do warunków ziemskich - zagwarantowanie niezbędnej jakości wykonania jest prawie niemożliwe. Wzrasta przy tym stopień złożoności układu, a wraz z nim ryzyko nieprawidłowego funkcjonowania całości. Nie koniec na tym. Misja opozycyjna charakteryzuje się najwyższym zużyciem paliwa, co pociąga za sobą dłuższy czas pracy silników rakietowych podczas wyprawy, a to zwiększa ryzyko awarii silników. Następne utrudnienie wynika z bardzo długiego czasu trwania lotu powrotnego: sprawność systemu podtrzymywania funkcji życiowych musi być zagwarantowana w dłuższym czasie (dla misji koniunkcyjnych trzeba zapewnić sprawność systemu podtrzymywania funkcji życiowych przez 180 dni; misje opozycyjne wymagają natomiast znacznie bardziej niezawodnego systemu, działającego sprawnie przez 430 dni). Poza tym podczas wypraw klasy opozycyjnej system podtrzymywania funkcji życiowych na statku kosmicznym musi być przystosowany do większego zakresu temperatur zewnętrznych: nie tylko temperatur w przestrzeni między Marsem a Ziemią, lecz także temperatur doświadczanych podczas lotu powrotnego, prowadzącego w pobliże Wenus, gdzie Słońce grzeje dwa razy silniej niż na Ziemi. Statek powracający z wyprawy opozycyjnej wchodzi w ziemską atmosferę z dużo większą prędkością niż w przypadku wyprawy koniunkcyjnej. Sytuacja taka zwiększa przeciążenie, jakiemu podlega statek i załoga w czasie wejścia w atmosferę. Rośnie wtedy ryzyko, że niewielki błąd pilotażu doprowadzi do spalenia statku w atmosferze bądź do odbicia się statku od atmosfery i uwięzienia go na orbicie wokółsło-necznej bez możliwości powrotu na Ziemię.

Wszystkie wymienione zastrzeżenia bledną wobec zasadniczej wady projektu misji klasy opozycyjnej, niedociągnięcia absurdalnego i naprawdę niesłychanego: rezultaty wyprawy

LOT NA MARSA • 123

opozycyjnej byłyby znikome. Po sześciu miesiącach lotu międzyplanetarnego i pokonaniu 400 milionów km załoga musiałaby spędzić około 30 dni w statku krążącym po orbicie okołomars-jańskiej. W sprzyjających warunkach astronauci mogliby przebywać na powierzchni planety tylko przez dwa tygodnie. Przy złej pogodzie załoga w ogóle nie miałaby szansy na lądowanie (na przykład Mariner 9 czekał na orbicie na rozpogodzenie przez całe cztery miesiące). Cała wyprawa mogłaby zakończyć się fiaskiem. Plan misji opozycyjnej przypomina mi rodzinną wycieczkę na Hawaje podczas Bożego Narodzenia, podczas której dziesięć dni zabierają loty i przesiadki, a na plażę zostaje pół dnia, bez gwarancji ładnej pogody. Mówiąc wprost, projekty wypraw opozycyjnych są bezsensowne. Maksymalizują koszty i ryzyko przy minimalnej wartości zebranych danych naukowych. Plan wysłania misji opozycyjnej popierają tylko te osoby, które pragną przekonać pozostałych o nierealności załogowych lotów na Marsa lub tak skomplikować projekt od strony technicznej, by uzyskać fundusze na własne badania nad nowymi technologiami napędu rakietowego. Prawdziwi zwolennicy wysłania ludzi na Marsa dawno zrezygnowali z planów misji klasy opozycyjnej.

Pozostaje natomiast problem wyboru spośród różnych wariantów wypraw koniunkcyjnych. Plan misji o minimalnym zapotrzebowaniu na energię jest najtańszy, z kolei plan misji szybszej jest lepszy, gdyż większą część całkowitego czasu wyprawy można przeznaczyć na użyteczne badania na powierzchni Marsa, a mniejszą na lot międzyplanetarny. Lot na Marsa po szybkiej trajektorii koniunkcyjnej zdecydowanie skraca okres przebywania załogi w warunkach zerowej grawitacji, ogranicza dawkę promieniowania kosmicznego i nie nakłada na system podtrzymywania funkcji życiowych wyśrubowanych wymagań. Z drugiej strony, skoro trajektoria minimalnego zapotrzebowania na energię i tak nie jest zbyt szybka, statek może być cięższy, wyposażony w większą liczbę awaryjnych układów napędowych, sterujących i podtrzymujących funkcje życiowe. Statek kosmiczny przeznaczony do lotu po trajektorii minimalnego zapotrzebowania na energię musi być

124 • CZAS MARSA

bardziej niezawodny, ale bilans masowy statku dopuszcza taką możliwość. (Statek do misji opozycyjnej, mimo najwyższych wymogów niezawodności, ma najgorszy bilans masowy i w małym stopniu pozwala na dodanie większej liczby układów awaryjnych i poprawę stopnia niezawodności).

Między misjami koniunkcyjnymi można wybierać. Ważąc plusy i minusy rozmaitych wariantów, da się wypracować rozsądny kompromis między prędkością statku kosmicznego a niezawodnością jego układów. Rozwagi wymagają także inne kwestie. Dla pewnych prędkości hiperbolicznych istnieją łączące Marsa i Ziemię trajektorie, które mają następującą własność: jeśli po dotarciu w pobliże Marsa załoga statku będzie zmuszona podjąć decyzję o niepodchodzeniu do lądowania, może nie zmieniając kursu lecieć dalej po takiej trajektorii, gdyż prowadzi ona prosto na Ziemię, a lot powrotny bez wchodzenia na orbitę okołomarsjańską nie wymaga wcale dodatkowego paliwa. Trajektorie takie noszą nazwę trajektorii swobodnego powrotu. Jeśli na jakimś odcinku lotu Ziemia--Mars silniki rakietowe zupełnie zawiodą lub jeśli z innej przyczyny konieczne będzie przerwanie misji, lot po trajektorii swobodnego powrotu doprowadzi załogę bezpiecznie z powrotem na Ziemię. Możliwość taką wykorzystano podczas księżycowej misji Apollo 13, która o mało nie skończyła się katastrofą. Osiągany dzięki trajektoriom swobodnego powrotu wzrost stopnia bezpieczeństwa wyprawy jest tak istotny, że nie warto nawet rozważać innych trajektorii rejsowych Ziemia-Mars, skracających podróż o najwyżej trzydzieści dni. Tabela 4.2 przedstawia możliwe trajektorie swobodnego powrotu, prowadzące z Ziemi na Marsa. Lot po orbicie najbardziej zbliżonej do trajektorii minimalnego zapotrzebowania na energię wymaga prędkości ucieczki 3,34 km/s (wariant A), podróż Ziemia-Mars trwa 250 dni, a powrót na Ziemię aż trzy lata (gdyż odbywa się po dwóch orbitach o okresie półtora roku). Długość drogi powrotnej sprawia, że wariant A jest odpowiedni do transportu ładunków, lecz kiepsko nadaje się dla lotów załogowych. Wariant B (prędkość ucieczki 5,08 km/s) skraca czas lotu na Marsa do 180 dni, a wędrówkę na Ziemię po trajektorii

LOT NA MARSA • 125

Tab. 4.2. Trajektorie swobodnego powrotu, łączące Marsa i Ziemię.

PRĘDKOŚĆ HIPER-BOLICZNA OKRES ORBITALNY CZAS TRWANIA SWOBODNEGO POWROTU CZAS LOTU NA MARSA WEJŚCIE W ATMOSFERĘ MARSA

A 3, 34 km/s 1,5 roku Siata 250 dni łatwe

B 5,08 km/s 2 lata 2 lata 180 dni do przyjęcia

C 6,93 km/s Siata 3 lata 140 dni niebezpieczne

D 7,93 km/s 4 lata 4 lata 130 dni niemożliwe

Uwaga: Różnica prędkości (AV) i prędkość ucieczki dla danej misji są ze sobą powiązane, lecz nie są tożsame. Czytelnik zainteresowany problemem w specjalistycznym dodatku, umieszczonym na końcu tego rozdziału, znajdzie omówienie matematycznych równań, wiążących AV i prędkość ucieczki ze sobą oraz z impulsem właściwym rakiety (Isp) i masą wyprawy.

swobodnego powrotu do dwóch lat. Właśnie wariant B najlepiej nadaje się do lotów załogowych, gdyż misje wykorzystujące trajektorie o większym zużyciu energii - warianty C i D -wymagają znacznie większych ilości paliwa w zamian za niewielkie skrócenie czasu trwania rejsu Ziemia-Mars, a ponadto orbity C i D prowadzą dużo dalej poza orbitę Marsa, przez co swobodny powrót na Ziemię trwa dłużej. Poza tym statek, poruszający się zgodnie z wariantem o większym zużyciu energii, przylatuje na Marsa ze zbyt dużą prędkością, by bezpiecznie przeprowadzić hamowanie atmosferyczne.

Orbity swobodnego powrotu nie bierze się pod uwagę, wybierając trajektorie Mars-Ziemia. Dążenie do dalszego ograniczania czasu trwania rejsu międzyplanetarnego napotyka na barierę: gdy prędkość ucieczki przekroczy 4 km/s, zaczynają maleć korzyści, osiągane dzięki większym prędkościom. Próba szybszego lotu zmusiłaby nas do rezygnacji z przewożonych na statku ładunków oraz dodatkowych systemów awaryjnych, a skrócenie czasu trwania lotu byłoby nieznaczne.

Okazuje się zatem, że w przypadku wypraw załogowych najlepsze trajektorie, łączące Marsa i Ziemię, wymagają przy star-

126 • CZAS MARSA

cię z Ziemi prędkości ucieczki 5,08 km/s (ale nie większej) oraz około 4 km/s przy starcie z Marsa. Dla lotów bezzałogo-wych najkorzystniejsza jest przejściowa orbita Hohmanna lub wariant A, najbardziej zbliżony do trajektorii minimalnego zapotrzebowania na energię, z prędkością ucieczki 3,34 km/s i możliwością swobodnego powrotu. A morał płynący z tych rozważań? Lot po omówionych optymalnych trajektoriach można wykonać bez trudu, wykorzystując najnowocześniejsze technologie chemicznego napędu rakietowego.

Kto poleci?

Skoro wyznaczyliśmy już trajektorie lotu na Marsa, nadchodzi moment doboru astronautów - kto poleci i z ilu osób składać się będzie załoga?

Literatura traktująca o „czynniku ludzkim" podczas długiego pobytu na Marsie prezentuje podejście, które można tak podsumować: „im więcej, tym weselej". Niestety, wieloosobowa załoga oznacza zwiększenie masy modułu mieszkalnego, wszystkich stopni rakietowych i rakiet nośnych, zatem z uwagi na koszty misji oraz techniczne wymogi wykonalności przedsięwzięcia należy liczbę uczestników wyprawy ograniczyć do minimum. Co więcej, wysyłając ludzi na Marsa, tak czy inaczej wystawiamy ich na niebezpieczeństwa, niezależnie od wszystkich systemów awaryjnych i planów postępowania w trudnych sytuacjach. Dlatego z moralnego punktu widzenia im mniej astronautów bierze udział w pierwszych misjach, tym lepiej. Wreszcie pamiętajmy, że choćby nie wiadomo jakie korzyści wynikały z obecności na Marsie większej liczby osób, historia ziemskich odkryć geograficznych uczy nas, iż często sukcesem kończyły się bardzo długie wyprawy, składające się z jednego lub dwóch podróżników.

Pojawia się więc pytanie o optymalną liczebność załogi podczas lotu na Marsa i pobytu na powierzchni planety. Innymi słowy, kogo naprawdę potrzebujemy? Podczas wyprawy najbardziej należy liczyć się z awarią jednego (lub kilku) spośród

LOT NA MARSA • 127

kluczowych układów mechanicznych i elektrycznych (napędu rakietowego, układów kontrolnych i systemu podtrzymywania funkcji życiowych). Dlatego mechanik jest członkiem załogi, od którego w największym stopniu zależy życie astronautów i powodzenie misji. Niezbędny jest wyborowy mechanik, którego możemy nazwać inżynierem pokładowym (całkiem słusznie, gdyż jest on inżynierem w dawnym znaczeniu, podobnie jak kiedyś inżynier na kolei czy na statku parowym), potrafiący „wywęszyć" problemy, zanim się ujawnią, i naprawić wszelkie możliwe urządzenia. Rola mechanika w trakcie wyprawy jest tak ważna, że pomimo ograniczania załogi do minimum proponuję wysłanie na Marsa dwóch osób o takich umiejętnościach.

Po mechaniku najważniejszy jest naukowiec prowadzący badania w terenie. Nie wolno nam zapomnieć, że sens wyprawy na Marsa polega na badaniach i eksploracji planety. Osoba niezbędna do kompetentnego wypełnienia celów misji odegra najważniejszą rolę po specjalistach, których obecność jest konieczna, by powiódł się lot na Marsa i powrót na Ziemię. Brak oczekiwanych danych naukowych oznaczałby do pewnego stopnia niepowodzenie wyprawy, dlatego ponownie sugeruję wysłanie dwóch osób, potrafiących wykonać to zadanie. Jednym z naukowców powinien być geolog, który zajmie się badaniem zasobów naturalnych i próbą rekonstrukcji geologicznej historii Marsa. Natomiast drugi uczony, biogeochemik, zbada czynniki marsjańskiego środowiska, mogące dać odpowiedź na pytanie, czy na Marsie występowało kiedykolwiek życie. Biogeochemik będzie także prowadził doświadczenia, zmierzające do wyznaczenia chemicznej i biologicznej toksyczności marsjań-skich substancji w stosunku do ziemskich roślin i zwierząt, oraz zbada właściwości gleby, przesądzające o warunkach szklarniowej uprawy roślin.

To już wszyscy. Nie zostawiając nikogo bez towarzystwa (co miałoby miejsce, gdyby na przykład jedna osoba podróżowała w roverze, a pozostali przebywali w bazie), czteroosobowa załoga, składająca się z dwóch mechaników i dwóch naukowców, może rozdzielić się na dwuosobowe grupy o uzupełniających się umiejętnościach: w każdej zawsze obecny jest uczony oraz

128 • CZAS MARSA

inżynier, potrafiący naprawić wadliwie działający sprzęt. Nie ma potrzeby wysyłania na Marsa dodatkowych członków załogi takich jak „dowódca" czy „lekarz". Bez wątpienia wyznaczony zostanie dowódca, a także jego zastępca, ponieważ w niebezpiecznych sytuacjach konieczne jest błyskawiczne podejmowanie decyzji. Nie ma jednak miejsca dla osoby, której wyłącznym zadaniem byłoby nadzorowanie, czy astronauci wywiązują się ze swych obowiązków. Podobnie żaden członek załogi nie będzie pełnił wyłącznie obowiązków „pilota". Statek kosmiczny może wylądować zupełnie bez udziału człowieka, a umiejętności pilota przydadzą się przez najwyżej parę minut w ciągu trwającej dwa i pół roku misji - w przypadku awarii pilota automatycznego. Na wypadek potrzeby zastąpienia urządzeń przez ludzi, jeden lub dwóch członków załogi powinno otrzymać przeszkolenie w dziedzinie technik pilotażu (znacznie łatwiej geologa nauczyć latania, niż pilota geologii). Ostatnia kwestia: nie będzie lekarza. Wielki norweski odkrywca Roald Amundsen nigdy nie brał lekarza na wyprawy, ponieważ uważał, że cierpi na tym morale załogi, a poza tym doświadczony podróżnik poradzi sobie ze zdecydowaną większością nagłych przypadków, wymagających pomocy medycznej. Wiadomo również, że wbrew publicznym zapewnieniom prawie wszyscy astronauci nie znoszą lekarzy. Sądzę, że również Czytelnik nie darzyłby ich sympatią - wystarczy wyobrazić sobie, że gdy staramy się wykonać trudne zadanie, ktoś ciągle wbija nam w ciało igły i obwiesza elektrodami czy termometrami. Zamiast wysyłać lekarza, wystarczy przeszkolić wszystkich członków załogi w udzielaniu pierwszej pomocy, umieścić na pokładzie statku nowoczesne urządzenia do diagnostyki medycznej oraz umożliwić konsultacje z udziałem lekarzy z Ziemi, pomocne przy leczeniu prostszych zaburzeń (na przykład infekcji ucha). Ponadto pomocny byłby na Marsie astronauta, który kiedyś zajmował się medycyną lub został przeszkolony na poziomie felczera, wyposażony w zestaw przyrządów do podstawowych badań (noszą takie w torbie wiejscy lekarze) i zapas rozmaitych antybiotyków. Biogeochemik wydaje się naturalnym kandydatem do odbycia podobnego kursu. Zbędny jest zaś najwyższej

LOT NA MARSA • 129

klasy lekarz, który spędzałby czas, czytając teksty medyczne i szlifując umiejętności chirurgiczne za pomocą komputerowej rzeczywistości wirtualnej, lub, co byłoby jeszcze gorsze, pasożytował, poddając pozostałych członków załogi szczegółowym badaniom.

Zapożyczając terminologię z serialu Star Trele, możemy podsumować, że w załogowej misji na Marsa weźmie udział dwóch Scottych i dwóch Spocków, lecz zabraknie miejsca dla Kirka, Sulu i McKoya oraz, co jeszcze ważniejsze, dla ich racji żywnościowych i łóżek.

Czteroosobowa załoga wystarczy, by polecieć na Marsa.

Bezpośredni start

Do tej pory wszystkie międzyplanetarne loty kosmiczne rozpoczynały się startem bezpośrednim - rakieta nośna wynosi statek na LEO (niską orbitę okołoziemską), a następnie odpala swój najwyższy stopień i umieszcza statek na trajektorii, prowadzącej do wybranej planety. W ten sposób sondy Mariner i Yiking dotarły na Marsa, a statek Apollo na Księżyc. Żadna misja nie zaczynała się od wyniesienia ładunku do orbitującego portu kosmicznego w celu przeładowania go na statek międzyplanetarny, który właśnie powrócił z lotu na, na przykład, Saturna i świeżo uzupełnił zapasy paliwa. Żadna misja nie używała statków zbudowanych w przestrzeni kosmicznej. Właśnie takie, często występujące skojarzenie załogowych wypraw na Marsa z futurystycznymi pomysłami wykorzystania portu kosmicznego i budowy statków na orbicie spowodowało odłożenie planów bezpośredniego zbadania Czerwonej Planety na przyszłość. Załogowe loty na Marsa będą jednak możliwe, jeśli da się je rozpocząć bezpośrednim startem. Dzięki rezygnacji z orbitalnych montowni statków i portów kosmicznych plany załogowych misji marsjańskich stają się realne w naszym świecie i nie wymagają ani „wszechświata równoległego", ani oczekiwania na odległą przyszłość. Dzięki bezpośredniemu startowi już dziś dysponujemy 90% potrzebnego sprzętu.

130 • CZAS MARSA

Poznaliśmy trajektorię lotu i skład załogi. Zastanówmy się teraz, czy za pomocą dwóch bezpośrednich ciężkich rakiet nośnych uda się wysłać na Marsa ekwipunek dla czteroosobowej misji zgodnie z wybranym planem lotu.

Ciężkie rakiety nośne nie są niczym nadzwyczajnym - Stany Zjednoczone zbudowały i wykorzystywały pierwszą taką rakietę trzydzieści lat temu. Rakieta nośna Saturn 5 powstała po pięcioletnim okresie projektowania i budowy; wysyłała wielokrotnie załogi statków Apollo na Księżyc; począwszy od 1967 roku działała bez żadnej usterki przez osiem lat, do 1973 roku, kiedy ostatnia rakieta wyniosła na orbitę okołoziemską stację kosmiczną Skylab. Saturn 5 mógł wynieść na LEO ładunek 140 ton. Dziś bez trudu można by rozpocząć produkcję rakiet Saturn 5, wystarczy odbudować linię produkcyjną. Można też postąpić inaczej - na przykład wykorzystać elementy promu kosmicznego do budowy rakiety nośnej tej samej klasy: przyczepić zestaw czterech silników głównych promu kosmicznego (SSME, ang. Space Shuttle Main Engine) u dołu zewnętrznego zbiornika (ET, ang. External Tank) promu, umocować dwie rakiety wspomagające na paliwo stałe promu (SRB, ang. Solid Rocket Booster) po każdej stronie ET, a nad zbiornikiem umieścić górny stopień wodorowo-tlenowy. Tak właśnie wygląda projekt rakiety nośnej Ares, opracowany przez Davida Bakera na potrzeby programu Mars Direct. W zależności od siły ciągu silnika górnego stopnia, Ares może wynieść na LEO od 121 ton (przy sile ciągu górnego stopnia 1,1 miliona niutonów) do 135 ton (przy sile ciągu SSME górnego stopnia 2,2 miliona niutonów). Obecnie odpowiednią ciężką rakietę nośną mają Rosjanie. Istniejący model, Energia, może umieścić na LEO tylko 100 ton, jednak udoskonalona wersja, Energia-B, będzie wynosić na orbitę 200 ton. W trakcie krótkiego żywota Inicjatywy Badań Kosmicznych (SEI) opracowano w NASA dziesiątki projektów rakiet nośnych, mogących umieścić na LEO od 80 do 250 ton. Krótko mówiąc, Stany Zjednoczone mogą szybko zbudować odpowiednie rakiety nośne, gdy tylko zapadnie taka decyzja.

Wprawdzie na papierze projekty rakiet nośnych o dowolnym udźwigu wyglądają równie dobrze, w rzeczywistości jest jednak

LOT NA MARSA • 131

inaczej. Opracowano projekty rewelacyjnych rakiet nośnych, zdolnych wynieść jednorazowo na LEO tysiąc ton, co brzmi świetnie, gdyby nie to, że podczas odpalania podobnej rakiety przypuszczalnie wyleciałoby w powietrze całe Orlando2 (a przynajmniej Centrum Kosmiczne im. Kennedy'ego). Z tego względu możemy bardzo konserwatywnie założyć, że wystarczy zbudować rakiety nośne o udźwigu odpowiadającym Saturnowi 5 z lat sześćdziesiątych, a więc wynoszące na LEO około 140 ton ładunku. Czy rakiety takie wystarczą, by wysłać misję według projektu Mars Direct - metodą bezpośredniego startu?

Niepełną odpowiedź na to pytanie daje tabela 4.3, ukazująca masę ładunku, dostarczanego na powierzchnię Marsa przez taką rakietę nośną: zdolną wynieść 140 ton na LEO, przy uwzględnieniu manewru wejścia statku kosmicznego na orbitę okołomarsjańską. Tabela 4.3 przedstawia warianty lotów towarowych i załogowych po trajektorii rejsowej Ziemia-Mars, dopuszczające użycie - jako górnego, trzeciego stopnia rakiety nośnej - albo nowoczesnego silnika chemicznego na wodór i tlen o impulsie właściwym (Isp) równym 450 s, albo dostęp-

Tab 4 3 Ładunek dostarczany na powierzchnię Marsa z wykorzystaniem rakiety startowej wynoszącej na LEO 140 ton

LOT TYP STOPNIA WIELKOŚĆ ŁADUNEK

RAKIETY SŁUŻĄCEGO ŁADUNKU DOSTARCZONY

DO UMIESZCZENIA UMIESZCZONEGO NA POWIERZCHNIĘ

STATKU NA TRAJEKTORII MARSA

NA TRAJEKTORII REJSOWEJ

REJSOWEJ ZIEMIA MARS

ZIEMIA-MARS

towarowy H2/02 46,2 t 28,6 t

załogowy H2/02 40,6 t 25,2 t

towarowy termiczny

napęd jądrowy 74,6 t 46,3 t

załogowy termiczny

napęd jądrowy 69,8 t 43,3 t

2 Miasto na Florydzie, niedaleko Przylądka Canaveral (przyp red ).

132 • CZAS MARSA

nego w niedalekiej przyszłości termicznego silnika jądrowego (NTR), którego Isp sięga 900 s.

Umieszczone w tabeli 4.3 dane na temat wielkości ładunku, dostarczanego na powierzchnię Marsa, obliczono przy założeniu, że podczas wejścia statku na orbitę wokół Marsa zostanie zastosowane hamowanie atmosferyczne. W projekcie Mars Direct jest to bez wątpienia optymalny sposób przeprowadzenia manewru wejścia statku na orbitę okołomarsjańską, gdyż wieziony ładunek ma być dostarczony na powierzchnię planety i z tego względu i tak musi mieć osłonę aerodynamiczną. Użycie hamowania atmosferycznego w misji Mars Direct pozwala „za darmo" pozbyć się istotnej części AV. Rezygnacja z hamowania atmosferycznego i wykonanie manewru wejścia na orbitę wokół Marsa za pomocą silników rakietowych oznacza konieczność ograniczenia o 25% ładunku dostarczanego na powierzchnię planety. W takich projektach misji na Marsa, jak Raport 90-dniowy, hamowanie atmosferyczne wiązało się z licznymi technicznymi problemami. W przypadku postulowanego w Raporcie gigantycznego statku kosmicznego o rozmiarach Battlestar Galactica, hamowanie atmosferyczne nie udałoby się bez ogromnych osłon aerodynamicznych, wymagających montażu na orbicie okołoziemskiej; jak już dowodziłem, nie jest to dobra propozycja. Dodatkowo w tego rodzaju misjach lot po trajektoriach opozycyjnych prowadzi do wejścia w atmosferę Marsa z bardzo dużą prędkością, co znacznie zwiększa termiczne i mechaniczne obciążenia osłony aerodynamicznej. Projekt Mars Direct przewiduje lot po trajektoriach koniunkcyjnych, które wymagają mniejszych ilości energii przy starcie oraz charakteryzują się niedużą prędkością wejścia w atmosferę Marsa, słabszym rozgrzewaniem i znacznie mniejszymi aerodynamicznymi siłami hamującymi. Najważniejsze jednak, że w planie Mars Direct hamowany statek kosmiczny jest stosunkowo mały, więc wyprodukowanie potrzebnych osłon aerodynamicznych nie sprawia problemu; poza tym bez trudu można je dopasować do kształtu rakiety. Są na to dwa sposoby: użycie osłon w kształcie parasola, wykonanych z elastycznego włókna, owijanych dookoła dolnej części

LOT NA MARSA • 133

wiezionych ładunków, jak w pierwotnym projekcie Mars Direct, lub też usunięcie oprofilowania statku i zastosowanie sztywnej osłony w kształcie pocisku, chroniącej ładunek od góry. Oba rozwiązania są wykonalne, a budowa osłon dla ładunków o rozmiarach przewidywanych przez plan Mars Direct może w całości odbyć się na Ziemi przed startem. Ponadto manewr wejścia na orbitę wokół Marsa, realizowany według planu Mars Direct, stawia niższe wymagania systemom kierowania, nawigacji i kontroli lotu niż w planach, zakładających kolejne spotkanie na orbicie okołomarsjańskiej, ponieważ nie ma większego znaczenia, na jaką orbitę statek wejdzie (skoro po lądowaniu orbita ta zostanie „wykasowana"); wystarczy, by mieściła się w szerokim zakresie dopuszczalnych orbit, które mają nachylenie odpowiednie do lądowania w wyznaczonym miejscu.

Bezzałogowe loty towarowe mogą wykorzystywać metodę, określaną mianem bezpośredniego wlotu. Podobnie jak podczas hamowania atmosferycznego, statek zwalnia dzięki sile oporu aerodynamicznego, powstającej w wyniku ruchu względem atmosfery planety, a nie dzięki sile ciągu silników rakietowych. Różnica polega na tym, że wykonując hamowanie atmosferyczne statek kosmiczny zanurza, się w atmosferę jedynie na minimalną głębokość, po czym opuszcza atmosferę i wchodzi na orbitę okołomarsjańską. Natomiast w trakcie bezpośredniego wlotu statek nurkuje głęboko w atmosferę, aż wytraci całą prędkość i od razu przystąpi do lądowania. W powszechnej opinii lądowanie poprzedzone hamowaniem atmosferycznym i wejściem na orbitę okołomarsjańską jest Ićpszym rozwiązaniem, gdyż w razie złej pogody daje załodze możliwość pozostania na orbicie, dopóki warunki nie poprawią się na tyle, by przystąpić do lądowania. Z kolei w przypadku bezpośredniego wlotu statek musi lądować od razu po przybyciu. Mimo to dwie bezzałogowe misje, Mars Pathfinder i Mars Surveyor '98, których start zaplanowano, odpowiednio, na 1996 i 1998 rok, wykorzystają metodę bezpośredniego wlotu. Jeśli lot tych sond zakończy się sukcesem, uzyskamy ważne informacje i niewykluczone, że również projektanci misji zało-

134 • CZAS MARSA

gowych, zachęceni powodzeniem lądowania poprzedzonego bezpośrednim wlotem, pomyślą o jego zastosowaniu podczas lotu załogowego.

We wszystkich tego rodzaju rozwiązaniach kluczową rolę odgrywa wielkość ładunku dostarczanego na powierzchnię Marsa. Bezzałogowy statek towarowy, używający paliwa chemicznego i startujący za pomocą jednej rakiety nośnej, mogącej wynieść na LEO 140 t, dostarczy na powierzchnię Marsa ładunek o masie 28,6 t; lecący szybciej statek z astronautami przewiezie ładunek 25,2 t. Czy dysponując taką ilością zapasów, uda się przeprowadzić załogową misję na Marsa? Jeśli nie, to wyjściem z sytuacji jest budowa potężniejszej rakiety nośnej albo opracowanie i zastosowanie technologii termicznego napędu jądrowego (NTR) do górnego stopnia. Najpierw zastanówmy się jednak, czy można myśleć o załogowych lotach na Marsa z wykorzystaniem jedynie rakiet nośnych klasy Saturn 5 i chemicznego napędu rakietowego. Jeśli tak, to wszystkie bardziej zaawansowane technologie i oferowane przez nie korzyści są niepotrzebnymi barierami, przeszkadzającymi w realizacji programu.

Zapasy dla załogi

Czy dopuszczalna masa ładunku jest wystarczająca? Aby to stwierdzić, trzeba rozważyć kwestię zapasów, potrzebnych astronautom podczas misji. Tabela 4.4 podaje ilości materiałów, zużywanych dziennie przez jednego członka załogi podczas różnych etapów lotu Ziemia-Mars i Mars-Ziemia, oraz całkowitą ilość zapasów, niezbędnych czteroosobowej załodze do przeżycia w obu systemach mieszkalnych: module mieszkalnym (zajmowanym przez astronautów podczas rejsu na Marsa i podczas pobytu na powierzchni planety) oraz kabinie statku powrotnego (ERY). Dane w kolumnie „dzienne potrzeby jednego członka załogi" to normy NASA (jak widać, całkiem liberalne pod względem ilości wody do mycia), z jednym wyjątkiem: zamiast 0,13 kg suchego pożywienia przyjąłem 1,0 kg pełnego (nie odwodnionego) pożywienia dziennie. Podczas długiej wy-

LOT NA MARSA • 135

Tab. 4.4. Zapasy zużywane przez czteroosobową załogę podczas misji Mars Direct.

MATĘ- DZIENNE CZĘŚĆ DZIEŃ- POTRZEBY POTRZEBY RIAŁ POTRZE ODZYSKI NE ZAŁOGI ZAŁOGI

BY WANA STRATY PODCZAS PODCZAS JEDNEGO (KG) 200 DNI 200 DNI CZŁONKA WERY LOTU ZAŁOGI (KG) NA MARSA (KG) W

MODULE

MIESZ-

KALNYM

(KG)

POTRZEBY ŁĄCZNE ZAŁOGI POTRZEBY PODCZAS ZAŁOGI 600 DNI W POBYTU MODULE NA PO- MIESZ-WIERZCH- KALNYM NI MARSA (KG) W MODU-LE MIESZ-KALNYM (KG)

tlen

1.0 0,8 0,2

160

sucha

żywność 0,5 0,0 0,5 400

160

400

pełna

żywność 1,0 0,0 1,0 800 800

woda

pitna 4,0 0,8 0,0 O O

woda

mycia 26,0 0,9 2,6 2080 2080

Łącznie 32,5 0,87 4,3 3440 3440

1200 2400

3600

160 1600 3200 O

2080

7040

prawy mieszana dieta bardzo poprawia morale załogi, zapobiegając monotonii suchego prowiantu, a kosztuje bardzo niewiele, gdyż tylko nieznacznie zwiększa masę zapasów: woda zawarta w żywności uzupełnia straty układu odzyskiwania i ponownego wprowadzania do obiegu wody pitnej. Zakładamy zastosowanie fizyczno-chemicznego systemu podtrzymywania funkcji życiowych o stosunkowo niskiej wydajności, odzyskującego 80% tlenu i wody pitnej oraz 90% wody do mycia (która może być gorszej jakości). Systemy takie są znacznie tańsze i zużywają dużo mniej energii w porównaniu z futurystycznymi ekologicznymi systemami zamkniętymi, które podobno będą

136 • CZAS MARSA

mogły wprowadzić ponownie do obiegu 100% zużywanego pożywienia, tlenu i wody.

Czytając między wierszami tabeli 4.4 łatwo spostrzec, jak ogromne korzyści osiągniemy dzięki bogactwom naturalnym Marsa. Wytwarzając paliwo rakietowe, ERY produkują duże ilości wody i tlenu. Gdyby nie aparatura chemiczna ERY, konieczne byłoby wysłanie dodatkowych 7 ton zapasów, zużywanych w module mieszkalnym: czyli zamiast 7 ton potrzebne byłoby 14 ton materiałów zużywanych, co byłoby bardzo trudne do spełnienia, wziąwszy pod uwagę, że całkowita masa modułu mieszkalnego wynosi 25 ton. Dziewięć ton wody, wytwarzanej na Marsie w instalacji chemicznej ERY, stanowi ponadplanową rezerwę w stosunku do zapotrzebowania, określonego przez NASA; zapas ten poprawi morale astronautów, ciężko pracujących na pustynnej planecie. Dlatego właśnie tabela 4.4 podaje, że nie ma potrzeby transportowania wody ani tlenu dla załogi podczas pobytu na powierzchni planety w module mieszkalnym. Widzimy też, że każdy moduł mieszkalny leci na Marsa z zapasami pożywienia, wystarczającymi na misję trwającą 800 dni, co pozwala załodze bez żadnych trudności przeżyć ewentualną dwuletnią wędrówkę na Ziemię po trajektorii swobodnego powrotu. Gdyby istotnie do tego doszło, astronauci musieliby uzupełnić zapasy wody i tlenu, zużywając 5 ton paliwa metan/tlen, znajdującego się wewnątrz stopnia ładowniczego (paliwo nie będzie już potrzebne w przypadku powrotu po trajektorii swobodnego powrotu, która kończy się wejściem na orbitę okołoziemską), a także ograniczyć zużycie wody do mycia do poziomu 40%, określonego przez NASA. Sytuacja taka, stanowiąca wyłącznie możliwość awaryjną, jest niewygodna i niedobrze wpływa na morale załogi, lecz można sobie z tym poradzić. Według tabeli 4.4 w ogóle nie dochodzi do dziennych strat wody pitnej, gdyż straty, wynikające z nieszczelności układu odzyskiwania wody, są równoważone przez wodę wprowadzaną do obiegu w pełnym pożywieniu.

Uwzględniając wyniki tych rozważań, możemy określić masy zapasów, umieszczonych w kabinie ERY oraz module mieszkalnym; rezultaty przedstawia tabela 4.5.

LOT NA MARSA • 137

Tab. 4.5. Rozkład masy zapasów dla misji Mars Direct.

STATEK POWROTNY (ERY) TONY MODUŁ MIESZKALNY TONY

konstrukcja kabiny ERY konstrukcja modułu 3,0 mieszkalnego 5,0

system podtrzymywania funkcji życiowych system podtrzymywania 1 , 0 funkcj i życiowych 3,0

zapasy zużywane 3,4 zapasy zużywane 7,0

generator energii elektrycznej (ogniwo słoneczne 5 kW) 1,0

układ kontroli

reakcji chemicznych 0,5

układy do komunikacji i zarządzania informacjami O, l

meble i urządzenie

wnętrza 0,5

skafandry EVA

(4 sztuki) 0,4

części zamienne

i rezerwa (16%) 1.6

Łączna masa ładunku kabiny ERY 11,5

osłona atmosferyczna 1,8

generator energii elektrycznej (ogniwo słoneczne 5 kW)

układ kontroli reakcji chemicznych

załoga

1,0

0,5

układy do komunikacji

i zarządzania informacjami 0,2

wyposażenie laboratorium 0,5

0,4

skafandry EYA (4 sztuki) 0,4

meble i urządzenie wnętrza 1,0

odkryte rovery (2 sztuki) 0,8

138 • CZAS MARSA

STATEK POWROTNY (ERV)

TONY

MODUŁ MIESZKALNY

TONY

lekki transporter zapas wodoru

Łączna masa ładunku ERY

0,5 6,3

stopnie napędowe ERY 4,5

aparatura chemiczna

do produkcji paliwa 0,5

reaktor jądrowy (80 kW) 3.5

28,6

rover ciśnieniowy

wyposażenie do badań naukowych w terenie

części zamienne i rezerwa

(16%)

Łączna masa ładunku modułu mieszkalnego

1,4

0,5

3.5

25,2

Podany w tabeli 4.5 ładunek sprzętu na ERY po wylądowaniu posłuży do produkcji 94 ton rakietowej mieszaniny napędowej metan/tlen i 9 ton wody; wykorzystany zostanie w tym celu przywieziony z Ziemi zapas wodoru o masie 6,3 tony. Z 94 ton paliwa 82 tony zostaną wykorzystane podczas drogi powrotnej ERY na Ziemię, a pozostałe 12 ton zasili zbiorniki pojazdu terenowego z wewnętrznym silnikiem spalinowym. Licząc tylko wodę i 12 ton paliwa do rovera i dodając je do innych elementów ładunku ERY, przydatnych podczas pobytu na powierzchni Marsa (takich jak kabina ERY z własnym układem zasilania i systemem podtrzymywania funkcji życiowych, generator energii, skafandry EYA, lekki transporter), odkrywamy, że w skład ładunku, dostarczonego na powierzchnię planety przez ERY, wchodzi 36,5 tony wyposażenia przeznaczonego do wykorzystania na powierzchni planety. Załoga pierwszej wyprawy na Marsa będzie miała do dyspozycji dwa statki ERY (pierwszy, który wyprodukował paliwo rakietowe na powrót astronautów jeszcze przed ich startem z Ziemi, i drugi, lecący równolegle do

LOT NA MARSA • 139

statku niosącego astronautów) oraz jeden moduł mieszkalny (zawierający 24,7 tony wyposażenia do wykorzystania na powierzchni planety). Gdy zsumujemy podane masy, okaże się, że załoga misji Mars Direct będzie dysponowała wyposażeniem o masie 97,7 tony przeznaczonym do wykorzystania na powierzchni planety; jest to niemal czterokrotnie więcej niż w przypadku misji klasy opozycyjnej według planu przedstawionego w Raporcie 90-dniowym (pomimo zakładanej tam ponad dwukrotnie wyższej masy ładunków w chwili startu). Projekt Mars Direct przewiduje dostarczenie na powierzchnię planety czterech hermetycznych pomieszczeń mieszkalnych, wyposażonych w systemy podtrzymywania funkcji życiowych: modułu mieszkalnego, dwóch kabin ERY i ciśnieniowego rove-ra. Dzięki temu załoga będzie miała parę możliwości bezpiecznego schronienia w przypadku awarii podstawowego systemu podtrzymywania funkcji życiowych w module mieszkalnym. Ponadto astronauci dysponują 12 skafandrami EVA (do działań na zewnątrz pojazdu), pięcioma pojazdami mechanicznymi (ciśnieniowy rover, dwa odkryte rovery i dwa lekkie transportery), pięcioma źródłami energii (dwoma reaktorami jądrowymi o mocy 80 kW oraz trzema ogniwami słonecznymi o mocy 5 kW, po jednym w module mieszkalnym i w każdym statku ERY), pięcioma awaryjnymi układami zasilania (silnik każdego z pięciu pojazdów mechanicznych nadaje się do ładowania generatora), a także tonami wyposażenia do badań naukowych i terenowych, 14 tonami materiałów, przywiezionych z Ziemi, 18 tonami wody, wyprodukowanej na Marsie i 24 tonami paliwa do ro-vera oraz dwoma instalacjami chemicznymi, z których każda może produkować tlen z marsjańskiej atmosfery w tempie przewyższającym zapotrzebowanie systemu podtrzymywania funkcji życiowych blisko pięćdziesiąt razy. Z tego względu plan Mars Direct należy niewątpliwie uważać za wyjątkowo solidny. A gdyby wszystko to wciąż wydawało się niewystarczające, nic nie stoi na przeszkodzie, by dodać kolejny stopień zabezpieczenia na wypadek awarii, wykorzystując start pierwszego ERY, gdy nie wyrusza w drogę statek z załogą; można wówczas wysłać dodatkowy moduł mieszkalny z niezbędnymi zapasami w miej-

140 • CZAS MARSA

sce lądowania pierwszego ERY (wariant ten wiąże się z wysyłaniem co dwa lata dwóch ciężkich rakiet nośnych, również przy pierwszym starcie). Wówczas załoga dysponowałaby sześcioma pomieszczeniami mieszkalnymi, w rym dwoma kompletnie wyposażonymi modułami mieszkalnymi, dwoma kabinami ERY oraz... Myślę, że Czytelnik rozumie już, co chcę powiedzieć. Żadna wyprawa odkrywcza na Ziemi nie miała tylu dodatkowych możliwości awaryjnych. Wymienione wyposażenie można dostarczyć na powierzchnię Marsa, wykorzystując wyłącznie technologię z lat sześćdziesiątych - rakiety nośne klasy Saturn 5 i paliwo chemiczne - i rezygnując z orbitalnej infrastruktury, montażu, operacji łączenia statków kosmicznych, a także porzucając plany spotkania statków na orbicie na jakimkolwiek etapie misji.

Porównanie możliwości prawie nieograniczonego mnożenia stopni awaryjnych w obozie załogi na powierzchni Marsa z zabezpieczeniami dostępnymi podczas rejsu międzyplanetarnego uświadamia nam, że planując załogowe wyprawy na Marsa, należy starać się maksymalizować okres pobytu załogi na powierzchni planety oraz minimalizować czas trwania rejsu międzyplanetarnego. Sprzęt i zapasy dla misji powinny zostać skoncentrowane na powierzchni Czerwonej Planety, przez co Mars stanie się najbezpieczniejszym po Ziemi miejscem w Układzie Słonecznym.

Wykorzystać plany zapasowe czy przerwać misję i wracać?

Rozważając w przeszłości plany załogowych misji na Marsa, sporo uwagi poświęcano następującemu scenariuszowi wydarzeń: parę dni przed dotarciem do Marsa (lub w dniu przybycia) załoga wyprawy zdaje sobie sprawę, że musi przerwać realizację programu. Interesuje nas w tym momencie nie to, dlaczego tak się stało, ale w jaki sposób przerwać misję. Jak astronauci wycofają się w bezpieczne miejsce? Muszą oczywiście dostać się na Ziemię; na szczęście mają wystarczające za-

LOT NA MARSA • 141

pasy paliwa, by wrócić po szybkiej trajektorii klasy opozycyjnej, chociaż planowano długi pobyt na powierzchni planety, zgodnie z koncepcją misji koniunkcyjnej. Załoga może włączyć silniki statku, oddalić się od Marsa i ruszyć w stronę Ziemi, przelatując po drodze koło Wenus. Jeśli wystąpi nagląca sytuacja, nie trzeba będzie czekać, aż otworzy się możliwość lotu po przejściowej orbicie Hohmanna. Zastanówmy się jednak nad tym scenariuszem. Koszty wyprawy, uwzględniającej w planach przedstawiony tu wariant awaryjny, wcale nie są trywialne. Przede wszystkim trzeba wysłać większy ładunek z myślą zarówno o długim pobycie na powierzchni Marsa, jak i długim rejsie powrotnym na Ziemię, a także dodatkowe paliwo rakietowe, by umieścić wszystkie te zapasy na trajektorii opozycyjnej o bardzo wysokiej energii. Trudno sobie wyobrazić bardziej kosztowny projekt wyprawy. Jeśli natomiast astro-nauci nie skorzystają z możliwości przerwania misji i natychmiastowego powrotu, ten dodatkowy ładunek na nic się nie zda. Poza tym awaryjny powrót po trajektorii klasy opozycyjnej oznacza dla astronautów wystawienie na dawki promieniowania kosmicznego w otwartej przestrzeni kosmicznej przez okres półtora roku (i równie długie przebywanie w warunkach zerowej grawitacji), narażenie na wysokie dawki promieniowania cieplnego Słońca w trakcie przelotu przez wewnętrzne obszary Układu Słonecznego oraz na bardzo duże przeciążenia podczas powrotu na Ziemię. Biorąc pod uwagę wszystkie okoliczności, dochodzimy do wniosku, że powrót awaryjny może okazać się dla załogi bardzo uciążliwy, a ponadto skorzystanie z tego wariantu oznaczałoby zupełne fiasko misji nastawionej na badania Marsa.

W rezultacie podobne plany załogowych wypraw marsjań-skich bardzo nieznacznie poprawiają skuteczność, za to niesłychanie podwyższają całkowitą masę ładunku ł koszty wyprawy. Na szczęście istnieje alternatywne rozwiązanie awaryjne; wystarczy podważyć podstawowe założenie: czy rzeczywiście Ziemia stanowi jedyne bezpieczne schronienie? Z pewnością nie! Właściwa strategia polega na rezygnacji z wariantów awaryjnych, przewidujących powrót na Ziemię, i opracowaniu planu

142 • CZAS MARSA

zakładającego - jako podstawowy wariant awaryjny - skorzystanie w nagłej sytuacji z uprzednio przygotowanego bezpiecznego schronienia na powierzchni Marsa. Załoga dotrze tam szybciej niż z powrotem na Ziemię, a poza tym schronienie na Marsie najprawdopodobniej okaże się bardziej pomocne w razie wystąpienia problemów. W ten sposób podstawowy wariant awaryjny nie odbiega od zasadniczych planów i nie wymaga wysyłania dodatkowego ładunku, a jego realizacja nie wyklucza realizacji celów wyprawy. Wprawdzie nadal pozostaną zastępcze warianty awaryjne, wiążące się z przerwaniem programu, lecz plany misji nie koncentrują się już wokół nich. Innymi słowy, podczas planowania misji nie należy koncentrować się na wariantach awaryjnych, lecz na hierarchii planów zapasowych. Projekt Mars Direct zawiera takie właśnie podejście.

Przeanalizujmy dostępne w trakcie wyprawy warianty awaryjne i plany zapasowe, zaczynając od wyniesienia astronau-tów na LEO. Pierwszym istotnym wydarzeniem jest odpalenie silników rakietowych w celu umieszczenia statku kosmicznego na międzyplanetarnej trajektorii rejsowej Ziemia-Mars (TMI, ang. Trans-Mars Iryection). Do wykonania manewru TMI i wysłania statku na Marsa po szybkiej, 180-dniowej trajektorii koniunkcyjnej, będącej zarazem trajektorią swobodnego powrotu na Ziemię w dwa lata, konieczna jest całkowita różnica prędkości AV, wynosząca 4,3 km/s. Jednakże AV równa 3,7 km/s wystarczy, by wysłać statek na Marsa po 250-dnio-wej trajektorii o minimalnym zapotrzebowaniu na energię, załoga może zatem wyruszyć w drogę, jeśli silniki rakietowe zapewnią ów minimalny poziom. Jeżeli układ napędowy nie zdoła doprowadzić do tego, by AV osiągnęła wartość 3,3 km/s - tyle wynosi prędkość niezbędna do opuszczenia pola grawitacyjnego Ziemi - statek pozostanie na eliptycznej orbicie okołoziemskiej. W takiej sytuacji załoga użyje układu napędowego modułu mieszkalnego i delikatnie obniży punkt perygeum (najniższego punktu orbity) tak, by znalazł się w najwyższych, granicznych warstwach ziemskiej atmosfery. Po pewnej liczbie okrążeń siła tarcia spowoduje obniżenie apogeum (najwyższego punktu orbity) do wysokości osiąganej

LOT NA MARSA • 143

przez prom kosmiczny (w 1994 roku bezzałogowy statek Magellan pomyślnie wykonał podobny manewr powolnego hamowania atmosferycznego z obniżeniem apogeum na orbicie wokół Wenus), a następnie słabe odpalenie silników rakietowych modułu mieszkalnego podniesie perygeum ponad ziemską atmosferę - dzięki czemu orbita przybierze kształt kołowy i się ustabilizuje. Po wykonaniu tego manewru prom kosmiczny zabierze załogę z powrotem na Ziemię (pośpiech nie jest konieczny, skoro astronauci mają na pokładzie zapasy, wystarczające na przeżycie trzech lat). Z kolei jeśli układ napędowy statku zapewni AV pomiędzy 3,3 km/s a 3,7 km/s, załoga będzie mogła powrócić na Ziemię, wyhamowując ruch statku silnikami rakietowymi modułu mieszkalnego. Silniki te miały być wykorzystane do poprawek śródkursowych, wejścia na orbitę i lądowania na Marsie. Dysponują one mocą odpowiadającą AV równej 0,7 km/s, a zatem znacznie więcej niż potrzeba, by zniweczyć maksymalną nadwyżkę AV, wynoszącą 0,4 km/s, która mogłaby doprowadzić do uwięzienia statku w otwartej przestrzeni kosmicznej pomiędzy Marsem a Ziemią. Rozważania te są jednak w dużej mierze hipotetyczne, ponieważ poprawnie skonstruowany stopień TMI ma dwa silniki, a każdy z nich charakteryzuje się niezawodnością wytwarzania odpowiedniej siły ciągu, sięgającą 99%. Prawdopodobieństwo, że oba silniki zawiodą jednocześnie, wynosi mniej więcej jedną dziesięciotysięczną i można je zaniedbać, rozważając całkowite ryzyko niepowodzenia misji.

Po pomyślnym wykonaniu manewru TMI i odpaleniu silników, wprowadzającym korektę śródkursową, statek kosmiczny zmierza w stronę Marsa, gdzie czeka go zadanie wejścia na orbitę okołomarsjańską. Podczas początkowych 95% rejsu międzyplanetarnego Ziemia-Mars załoga ma do wyboru rozmaite warianty postępowania w razie kłopotów, m.in. przerwanie misji i lot na Ziemię po trajektorii swobodnego powrotu lub przelot koło Marsa z wykorzystaniem silników. Jeśli jednak ładownik znajdzie się już na trajektorii wejścia na orbitę okołomarsjańską (co zwykle odbywa się na kilka dni przed planowanym wejściem na orbitę wokół planety), szansę zrealizowania

144 • CZAS MARSA

któregokolwiek awaryjnego wariantu lotu na Ziemię będą bardzo nikłe. Przerwanie lotu po wybranej trajektorii i jakiekolwiek jej modyfikacje stają się na pewnym etapie - w okresie od kilku godzin do jednego dnia przed manewrem wejścia na orbitę wokół Marsa - niemożliwe. W końcu przychodzi czas dokonania ostatecznego wyboru; nie ma się jednak co obruszać, skoro tego rodzaju decyzji nie trzeba podejmować przez pierwsze 175 dni lotu, który przecież trwa 180 dni.

Projekt Mars Direct nie przewiduje żadnych spotkań na orbicie, dlatego nie ma potrzeby precyzyjnego doboru okołomar-sjańskiej orbity - wystarczy, by miała takie nachylenie, które umożliwi lądowanie na powierzchni planety w zaplanowanym miejscu (oznacza to, że nachylenie orbity musi być większe lub równe szerokości areograficznej docelowego miejsca lądowania statku). Z tego powodu wystarczy, że statek znajdzie się na dowolnej spośród licznych orbit okołomarsjańskich, spełniających ten warunek, po czym podejdzie do lądowania w sąsiedztwie bazy, założonej przez poprzednią misję. Rozluźnienie rygorów precyzji wyboru orbity przekłada się na niższe wymagania, stawiane systemom kierowania, nawigacji i kontroli lotu, zwiększając tym samym atrakcyjność hamowania atmosferycznego jako sposobu wejścia statku na orbitę okołomars-jańską w planie Mars Direct. Gdyby statkowi z modułem mieszkalnym nie udało się wejść na orbitę wokół Marsa za pomocą hamowania atmosferycznego, załoga może jeszcze wykorzystać silniki rakietowe ładownika (o AV około 700 m/s). Niewykluczone, że w wyniku tego astronauci nie będą w stanie wylądować w module mieszkalnym, lecz za to statek wejdzie na orbitę oko-łomarsjańską. W takiej sytuacji są dwie możliwości. Po pierwsze, załoga pozostaje na orbicie przez 600 dni i spotyka się z którymś z dwóch statków powrotnych (poprzednim ERY lub ERY lecącym równolegle, ponieważ system zdalnej kontroli pozwala na start statku powrotnego z powierzchni Marsa i skierowanie go na wybraną orbitę), przechodzi na pokład ERY i wraca nim na Ziemię. Druga ewentualność wymaga pozostania na orbicie okołomarsjańskiej przez jakieś 90 dni; gdy lecący równolegle ERY dotrze do planety, wystarczy spotkać się z nim na

LOT NA MARSA • 145

orbicie, zanim wyląduje. W tym wariancie załoga może wybierać: albo zabierze z ERY część paliwa i uzupełni nim zbiorniki swojego statku, aby wylądować w module mieszkalnym (poświęcając ERY), albo też przesiądzie się do ERY i wyląduje w nim, zostawiając moduł mieszkalny na orbicie. Do realizacji drugiego scenariusza można przystąpić niezwłocznie po spotkaniu na orbicie - pod warunkiem że na powierzchni Marsa znajduje się drugi moduł mieszkalny (pozostawiony przez załogę jednej z poprzednich misji). W przeciwnym razie lądowanie się opóźni, gdyż astronauci spędzą większość czasu na orbicie okołomarsjańskiej (gdzie będą mieli do dyspozycji obfite zapasy i wygodne kwatery modułu mieszkalnego), a na planetę wybiorą się jedynie z krótką ekspedycją, wykorzystując dwa ERY jako bazę na powierzchni Marsa.

Skoro jednak na powierzchni Czerwonej Planety znajduje się bezpieczne schronienie i można zrealizować cele misji, najkorzystniej jest znaleźć się właśnie tam. Z tego względu, wykonując manewr wejścia na orbitę wokół Marsa, należy raczej zanurzyć się zbyt głęboko w atmosferę, niż ryzykować minięcie planety i poszybowanie w przestrzeń kosmiczną. Skoro plan Mars Direct nie wymaga wchodzenia na słabo związaną, bardzo wydłużoną orbitę okołomarsjańską (jak w tradycyjnych projektach misji - opuszczenie takiej orbity wymaga mniejszej ilości paliwa), lecz przewiduje, że statek znajdzie się na silniej związanej orbicie kołowej lub lekko eliptycznej, dzięki czemu minięcie planety jest w zasadzie niemożliwe. Gdyby podczas hamowania atmosferycznego statek zanurzył się w atmosferę zbyt głęboko, by wejść na stabilną orbitę, załoga może od razu lądować w module mieszkalnym. W końcu chodzi właśnie o dotarcie na powierzchnię Marsa.

Bardzo istotny, dodatkowy wzrost bezpieczeństwa wyprawy można uzyskać, odrzucając pomysł spotkania na orbicie okołomarsjańskiej, zanim statek podejdzie do lądowania, gdyż rezygnujemy wówczas z konieczności precyzyjnego wykonania manewru wejścia na orbitę okołomarsjańską w sytuacji, gdy grozi minięcie planety. Oczywiście, zamiast spotkania na orbicie projekt Mars Direct wymaga spotkania na powierzchni.

146 • CZAS MARSA

Zastanówmy się, co się z tym wiąże. Aby zagwarantować powodzenie misji, projekt Mars Direct przewiduje na wypadek kłopotów wiele wariantów zapasowych. Po pierwsze, w wyznaczonym miejscu lądowania przez dwa lata, poprzedzające przybycie astronautów, znajduje się statek powrotny, co daje szansę gruntownego poznania miejsca spotkania za pomocą automatycznych pojazdów terenowych, a także pozwala umieścić transponder w miejscu najdogodniejszym do lądowania. ERY ustawi ponadto radiolatarnię, przypominającą lotniskowy system komunikacji radiowej, który służy do przesyłania pilotom dokładnych danych na temat pozycji i prędkości samolotu podczas podchodzenia do lądowania i lądowania na płycie lotniska. Pamiętajmy, że oba bezzałogowe ładowniki misji Yiking zdołały osiąść na powierzchni Marsa w odległości 30 km od wyznaczonych miejsc, a ładowniki Apollo potrafiły umieścić astronautów na powierzchni Księżyca nie dalej niż 200 m od punktu, w którym znajdowała się bezzałogowa sonda Surveyor. Dysponując aktywnym układem naprowadzania oraz radiola-tarnią, wskazującą właściwy kierunek, można posadzić moduł mieszkalny na powierzchni Marsa w odległości zaledwie paru metrów od planowanego miejsca. Jeśliby jednak statek chybił o dziesiątki lub nawet setki kilometrów, spotkanie umożliwi wieziony w module mieszkalnym rover, którego zasięg wynosi 1000 km. Ponieważ astronauci lądują w funkcjonalnym module mieszkalnym, a nie w niedużym ładowniku, nie przystosowanym do długiego zamieszkiwania, mogą przetrwać dość długo, nawet gdyby znaleźli się w zupełnie odosobnionym miejscu - na taką ewentualność przygotowano trzeci i czwarty poziom scenariuszy zapasowych. Trzeci poziom zabezpieczenia - na wypadek oddalenia modułu mieszkalnego od ERY o odległość porównywalną ze średnicą planety - przewiduje modyfikację kierunku lotu kolejnego ERY, podążającego ku Marsowi w ślad za astronautami (w odstępie paru miesięcy); dzięki temu ERY wyląduje w sąsiedztwie modułu mieszkalnego. Czwarty poziom zabezpieczenia wynika z konstrukcji misji, zgodnie z którą cała załoga przebywa w module mieszkalnym, wyposażonym w zapasy, wystarczające do przeżycia dwóch lat na powierzchni

LOT NA MARSA • 147

planety. Jeśli zawiodą wszystkie warianty awaryjne, astronau-tom pozostanie przetrwać ciężki okres, jaki upłynie do czasu, aż pojawi się szansa wysłania z Ziemi następnej rakiety z zapasami i kolejnym ERY.

Plan Mars Direct nie przewiduje, by po rozpoczęciu schodzenia do lądowania statek przerwał manewr i powrócił na orbitę około-marsjańską; projekt zakłada przecież wykorzystanie marsjań-skiego materiału napędowego - skoro zatem już znajdziemy się na powierzchni planety, nie wchodzi w grę wycofanie się na orbitę. Jest jednak wysoce wątpliwe, by jakikolwiek ładownik (choćby miał zapas paliwa w pełni wystarczający, by wznieść się w górę) mógł wznieść się na orbitę, startując z tylnej części osłony aerodynamicznej, która z wysiłkiem przedziera się w dół mar-sjańskiej atmosfery z prędkością ponaddźwiękową. (Podobny manewr wymaga przedarcia się pojazdu startującego poprzez ponaddźwiękową falę uderzeniową, rozchodzącą się w tył za osłoną aerodynamiczną, a potem zmiany, podczas lotu pojazdu, trybu pracy silników rakietowych - z opóźniania do przyspieszania!) W zamian za iluzoryczną możliwość przerwania lądowania i wycofania się na orbitę (podczas lądowania według tradycyjnych planów, mimo wszelkich starań, astronauci i tak nie mają realnej szansy zawrócenia i powrotu na orbitę, nawet jeśli dysponują pojazdem startowym z pełnym zapasem paliwa) misja Mars Direct oferuje dodatkowe, niezwykle konkretne zabezpieczenie: przed podejściem do lądowania w module mieszkalnym, a nawet jeszcze przed opuszczeniem Ziemi, załoga ma pewność, że na powierzchni Marsa czeka sprawny ERY, który przetrwał ciężką próbę lądowania i ma zapas paliwa, całkowicie wystarczający na rejs powrotny. Co więcej, podczas lądowania astronauci znajdują się wewnątrz dużego, mocno zbudowanego modułu mieszkalnego, w skład którego wchodzi wiele hermetycznych, ciśnieniowych pomieszczeń oraz sprawnie funkcjonujący system podtrzymywania funkcji życiowych, przeznaczony do długotrwałej eksploatacji - natomiast w chwili dotknięcia powierzchni planety na pokładzie statku prawie w ogóle nie ma już paliwa rakietowego. Dokładnie na odwrót sytuacja przedstawia się wtedy, gdy astronauci lądują w marsjańskim pojeździe startującym,

148 • CZAS MARSA

który ma pełny zapas materiału napędowego, jest nieduży oraz zapewnia minimalny okres funkcjonowania systemu podtrzymywania funkcji życiowych - słowem, w statku po brzegi wypełnionym paliwem, czyli bardzo niebezpiecznym materiałem wybuchowym.

Mówiliśmy już, że plan Mars Direct przewiduje koncentrację całości sprzętu i zapasów na powierzchni planety, bez pozostawiania kogokolwiek ani czegokolwiek na orbicie. Dzięki tej strategii systemy umożliwiające przetrwanie załogi podczas liczącego 600 dni pobytu na powierzchni planety wielokrotnie się dublują, a stopień bezpieczeństwa wzrasta w miarę wysyłania na Marsa kolejnych misji, które wzbogacają znajdujące się na powierzchni wyposażenie o nowe moduły mieszkalne. Gdy nadchodzi czas powrotu, astronauci dysponują dwoma ERY, gotowymi zawieźć ich na Ziemię w każdej chwili; wystarczy jedynie przeprowadzić ich kontrolę przed odlotem. Sytuacja jest dużo korzystniejsza niż w przypadku tradycyjnych projektów, zgodnie z którymi załoga musi opuścić powierzchnię na pokładzie jedynego posiadanego pojazdu startującego, by następnie na orbicie spotkać się ze statkiem bazą, od prawie półtora roku krążącym wokół Marsa bez nikogo, kto zadbałby o jego sprawność, i bez prawie żadnych części zapasowych w razie awarii. Załoga misji Mars Direct własnoręcznie sprawdzi sprawność statku, zanim zdecyduje się wyruszyć w drogę powrotną; będzie też dysponowała wszystkimi zapasami marsjańskiej bazy na wypadek awarii. Gdyby zaś oba ERY okazały się niesprawne, załoga po prostu poczeka w bazie na powierzchni Marsa parę miesięcy, aż dotrze następny moduł mieszkalny, wypełniony zapasami, i kolejny ERY. Wprawdzie wówczas astronauci musieliby przedłużyć pobyt na powierzchni o dwa lata w stosunku do oryginalnego planu, lecz z pewnością jest to lepsze rozwiązanie niż śmierć.

Możliwości nowoczesnych technologii

Opisane dotychczas systemy transportu w misji Mars Direct mieszczą się całkowicie w granicach możliwości dzisiejszych

LOT NA MARSA • 149

technologii: ciężka rakieta nośna typu Saturn 5 lub jej podobna, napęd chemiczny i tak dalej. Gdyby jednak pojawiła się jakaś nowa technologia, plan wyprawy na Marsa powinien ją uwzględnić i wykorzystać. Istnieje wiele hipotetycznych nowoczesnych technologii podróży kosmicznych - najważniejsze z nich to: jądrowy i słoneczny (jonowy) napęd rakietowy, słoneczne i magnetyczne żaglowce, rakiety termojądrowe i z napędem na antymaterię - lecz tylko parę z nich ma szansę zmaterializować się wystarczająco szybko, by dało sieje wykorzystać podczas pierwszych wypraw na Czerwoną Planetę. Należą do nich: termiczne silniki jądrowe (NTR) i ściśle z nimi związane termiczne silniki słoneczne (STR, ang. Solar Thermal Rocket), które mogłyby zastąpić napęd chemiczny podczas podróży kosmicznych; a także jednostopniowe rakiety nośne wielokrotnego użytku (SSTO, ang. Single-Stage-To-Orbit), zastępując podczas startu z Ziemi jednorazowe, wielostopniowe ciężkie rakiety nośne. Nie chcę przez to powiedzieć, że jądrowy napęd jonowy czy też żaglowce magnetyczne lub inne zaawansowane technologie są niewykonalne. Wręcz przeciwnie, prawdopodobnie za sto lat zdominują one handel międzyplanetarny. Z tego względu zajmiemy się nimi w jednym z następnych rozdziałów, przy okazji rozważania bardziej futurystycznych aspektów kolonizacji Marsa. Kolumb nie dotarłby jednak zbyt daleko, gdyby czekał z rozpoczęciem przeprawy przez Atlantyk, aż pojawią się statki parowe czy Boeingi 747; podobnie pierwsze pokolenie odkrywców Marsa zmuszone będzie poprzestać na zestawie technologii, które z punktu widzenia przyszłych podróży kosmicznych są dość prymitywne. Kolumb przepłynął Atlantyk na statkach zbudowanych z myślą o podróżach po Morzu Śródziemnym i wzdłuż wybrzeży oceanu. Dopiero gdy europejskie placówki pojawiły się w Ameryce, rozpoczął się postęp techniczny, który doprowadził do stworzenia trój masztowych karawel, kliprów, rejsowych statków oceanicznych i, w końcu, samolotów. Po założeniu ludzkich osad na Marsie podobny mechanizm spowoduje opracowanie nowocześniejszych technologii napędu rakietowego. Z tego powodu aż dotąd całkowicie ograniczaliśmy zagadnienie misji marsjańskich do istnieją-

150 • CZAS MARSA

cych współcześnie, prymitywnych technologii napędu rakietowego. Podejście takie jest niewątpliwie konserwatywne. Istnieją jednak technologie - prowadzące do znacznej poprawy skuteczności misji lub obniżenia jej kosztów - które potencjalnie można wykorzystać w stosunkowo bliskiej przyszłości. Przyjrzyjmy się im teraz.

Największe nadzieje na zastąpienie paliwa chemicznego wiążą się z napędem termicznym, czy to jądrowym, czy słonecznym. Koncepcja funkcjonowania takich rakiet jest bardzo prosta: źródło ciepła (reaktor jądrowy lub paraboliczne zwierciadło, ogniskujące promieniowanie słoneczne) podgrzewa płyn do bardzo wysokiej temperatury, powodując, że staje się on bardzo gorącym gazem, który jest następnie wyrzucany przez dyszę rakiety. Innymi słowy, rakieta termiczna to po prostu latający czajnik parowy. Sprawność takiej rakiety jest przede wszystkim ograniczona maksymalną temperaturą, jaką może wytrzymać materiał, z którego zbudowany jest silnik; ocenia się ją na mniej więcej 2500°C. Rakiecie takiej można nadać największą prędkość i impuls właściwy, wykorzystując do napędu gaz o możliwie najniższej masie cząsteczkowej. Najlepiej nadaje się do tego wodór. Rakieta NTR lub STR, wykorzystująca wodór, może osiągnąć Isp równy 900 s (prędkość wyrzutu gazu 9 km/s), czyli dwukrotnie więcej niż w przypadku silników chemicznych.

Termiczne silniki jądrowe nie są wyłącznie teorią. W latach sześćdziesiątych w USA realizowano program NERYA (silniki jądrowe w zastosowaniu do pojazdów kosmicznych, ang. Nac-lear Engine for Rocket Yehicle Applications), w ramach którego zbudowano i przetestowano na Ziemi około dwunastu silników o sile ciągu od 440 tysięcy aż do 1,1 miliona niutonów. Silniki te naprawdę działały, zapewniając impuls właściwy przekraczający 800 s, czyli znacznie więcej, niż mógł marzyć konstruktor rakiet chemicznych. Wernher von Braun planował wykorzystanie rakiet NTR do załogowej wyprawy na Marsa, którą NASA miała nadzieję wysłać na początku lat osiemdziesiątych jako kontynuację misji Apollo. Gdy jednak administracja prezydenta Nixona zablokowała plany NASA,

LOT NA MARSA • 151

program NERYA również upadł. Silniki NTR nigdy nie zostały sprawdzone w locie, a urządzenia do testów naziemnych pokryła rdza. Wielu weteranów programu NERYA wciąż żyje, choć zbliża się do wieku emerytalnego. Gdy piszę te słowa, cenne doświadczenie w tej dziedzinie zanika. Mimo wszystko udało się udowodnić, że rakiety z napędem jądrowym mogą funkcjonować.

Kiedy Inicjatywa Badań Kosmicznych SEI nie została jeszcze zarzucona, grupa pracowników NASA pod duchowym przywództwem (czemu jednak nie towarzyszyło poparcie ze strony władz agencji) Staną Borowskiego z Centrum Badawczego NASA im. Lewisa w Cleveland ponowiła próbę podjęcia badań i prac konstrukcyjnych nad rakietami NTR w Ameryce. Popierałem te wysiłki, lecz napotkały one liczne przeszkody natury politycznej, głównie z uwagi na to, że Kongres Stanów Zjednoczonych - zniechęcony wyceną realizacji SEI - postanowił nie przeznaczać nawet jednego dolara na jakiekolwiek programy związane z SEI. Pojawiły się również inne problemy. W latach sześćdziesiątych nie istniał jeszcze zorganizowany politycznie ruch przeciwników energetyki jądrowej; dlatego próby z silnikami NTR prowadzono z reguły w otwartych miejscach, a potencjalnie radioaktywne gazy odrzutowe wydzielały się wprost do atmosfery na miejscu testów w stanie Nevada. Obecnie podobne postępowanie jest wykluczone. Silniki NTR musiałyby być testowane w zamkniętych halach, wyposażonych w sprzęt, wypłukujący wszelkie produkty radioaktywne zawarte w gazach odrzutowych przed ich wypuszczeniem do atmosfery. W zależności od rozmiarów silnika NTR, takie hale musiałyby być bardzo duże i drogie (koszt sięgający miliardów dolarów), a uzyskanie wymaganych zezwoleń ze strony agencji ochrony środowiska mogłoby trwać latami, co oczywiście wstrzymałoby realizację programu. Istnieje już jednak podobna zamknięta instalacja, zwana LOFT, zatwierdzona przez Narodowe Laboratorium Techniczne w Idaho, która po nieznacznych modyfikacjach nadawałaby się do testowania niedużych silników NTR, o sile ciągu około 44 tysięcy niutonów. Wykorzystanie urządzeń w Idaho stano-

152 • CZAS MARSA

wiłoby ogromną oszczędność czasu i pieniędzy, a nawet tak mała rakieta NTR byłaby wystarczająco duża, by wysłać niewielki statek z LEO na trajektorię rejsową Ziemia-Mars, a jednocześnie wystarczająco mała, by mogła znaleźć liczne zastosowania poza Inicjatywą Badań Kosmicznych - na przykład do wysyłania bezzałogowych sond kosmicznych w zewnętrzne obszary Układu Słonecznego czy też do umieszczania satelitów wojskowych na orbitach geosynchronicznych. W przeciwieństwie do SEI, wspomniane misje mają pewien rzeczywisty budżet.

Z tego względu długo i głośno opowiadałem się - wraz z innymi - za przyjęciem wariantu zakładającego wykorzystanie termicznego napędu jądrowego. Na początku lat dziewięćdziesiątych, gdy toczyła się debata na ten temat, NASA nie zaakceptowała jednak jeszcze programu Mars Direct, a statek z termicznym napędem jądrowym o sile ciągu 44 tysięcy niutonów byłby niewystarczający do wysłania Battlestar Galactica na Marsa. Dlatego, z powodu nieokreślonego programu misji, planiści NASA projektowali silniki o sile ciągu od 330 tysięcy do l, l miliona niutonów. Ponadto wielu ludzi z otoczenia Borow-skiego reprezentowało rozmaite instytucje, które liczyły na otrzymanie sporych zastrzyków pieniężnych na wybudowanie gigantycznej instalacji testowej; starali się więc wpłynąć na niego, by uwzględniał ich interesy. Poza tym szefowie Borow-skiego w programie NTR byli dyrektorami NASA i popierali koncepcję zakrojonego na wielką skalę i długotrwałego programu opracowania i budowy rakiety NTR, przeto sprzeciwiali się chodzeniu na skróty, pozwalającemu szybko i tanio skonstruować niedużą rakietę NTR. W rezultacie wygrała frakcja, która opowiadała się za wielkim programem NTR. NASA zmarnowała możliwości wiążące się z SEI, przygotowując plany wielkiego programu NTR, który kosztowałby 6 miliardów dolarów, wyłącznie na potrzeby SEI; prace nad ogromnymi urządzeniami zaplanowano na 12 lat. Rezygnacja z SEI pociągnęła za sobą zarzucenie programu NTR. Gdy losy programu zostały przesądzone, szczury uciekły z tonącego okrętu i zostawiły osamotnionego Borowskiego, który zaczął przekonywać do niewielkie-

LOT NA MARSA • 153

go programu NTR. Jak dotąd wstrzymano wszelkie czynności w tej sprawie.

Sądzę, że gdyby podjęto odpowiednią decyzję, Stany Zjednoczone mogłyby uruchomić niewielki program NTR, którego rezultatem byłaby gotowa do lotu rakieta o sile ciągu 44 tysięcy niutonów, impulsie właściwym 850 s, zbudowana w cztery lata kosztem od 500 milionów do miliarda dolarów. Oceny te są wynikiem szczegółowych badań i dyskusji z weteranami programu NERYA oraz innymi ekspertami, pracującymi nad tymi zagadnieniami w przemyśle i różnych laboratoriach. Kosztów realizacji programu nie można zaniedbać, ale są one porównywalne z kosztami pojedynczego startu promu kosmicznego, a w rezultacie stanęlibyśmy wobec całkowicie nowych możliwości podróży w przestrzeni kosmicznej. Skoro termiczny silnik jądrowy ma bardzo wiele potencjalnych zastosowań, warto zaangażować się w jego produkcję, niezależnie od tego, czy planujemy wysłać ludzi na Marsa, czy nie.

Trudno jednak zaprzeczyć, że obecnie proponowanie wykorzystania energii jądrowej w badaniach kosmosu jest ryzykowne. Dlatego grupa inżynierów związanych z Laboratorium Sił Lotniczych im. Philipsa w Albuąuerąue w Nowym Meksyku, najwyraźniej zakładając, że lepszy rydz niż nic, starała się doprowadzić do konstrukcji słonecznych silników termicznych; gdy piszę te słowa, grupie udało się uzyskać fundusze na realizację niewielkiego programu badawczego, zakładającego opracowanie systemu oraz przetestowanie go w locie. STR to stara koncepcja, po raz pierwszy wysunięta przez weterana niemieckiego programu V-2, Kraffta Ehricke'a, w latach pięćdziesiątych, nigdy jednak nie zbudowano takiej rakiety. Skupione światło słoneczne stanowi źródło mocy STR, co pozwala na rezygnację z reaktora jądrowego, lecz z powodu rozproszenia światła słonecznego trudno byłoby zbudować rakietę STR o sile ciągu przewyższającej około 440 niutonów. Ponadto, z oczywistych względów, system byłby zupełnie nieprzydatny w zewnętrznych częściach Układu Słonecznego. Mała siła ciągu STR uniemożliwia jednorazowe umieszczenie statku misji Mars Direct, znajdującego się na LEO, na trajek-

154 • CZAS MARSA

torii rejsowej Ziemia-Mars. Wchodzi jednak w grę zastosowanie STR do trwającego kilka tygodni manewru, który składałby się z serii „kopnięć" w perygeum orbity, polegających na włączeniu silnika na 30 minut, za każdym razem gdy statek przechodzi przez najniższy punkt swej orbity. W ten sposób statek zostałby przeniesiony z LEO na bardzo eliptyczną orbitę. Z takiej orbity ruszyłby na Marsa po jednorazowym odpaleniu silników chemicznych, a stopień STR zostałby albo porzucony, albo odesłany z powrotem na LEO, gdzie mógłby posłużyć do wysłania na Marsa kolejnego statku. Dla STR różnica prędkości AV, konieczna do przesunięcia statku na orbitę eliptyczną, z której można by opuścić Ziemię, wynosi około 3, l km/s, podczas gdy całkowita różnica prędkości, niezbędna do wysłania na Marsa bezzałogowego statku towarowego, sięga 3,7 km/s; ta sama wielkość dla statku niosącego astronautów przybiera wartość 4,3 km/s. Zatem STR może zapewnić 72-83% napędu, potrzebnego w drodze na Marsa. STR oferuje korzyści porównywalne z NTR, choć nieco mniejsze.

Jakie z tego wynikają korzyści dla planu Mars Direcć? Widzimy, że omówione rozwiązania nie umożliwią szybkich misji na Marsa. Skoro nie dysponujemy futurystycznymi systemami napędu rakietowego, które nie wymagają wysyłania statku po trajektorii balistycznej (jak m.in. silniki wykorzystujące syntezę termojądrową lub antymaterię), dla lotów załogowych należy wybrać trajektorię z możliwością swobodnego powrotu w ciągu 2 lat, po której lot na Marsa trwa 180 dni, niezależnie od przyjętego rodzaju napędu rakietowego. Technologie STR i NTR pozwoliłyby wysyłać większe ładunki przy tej samej masie startowej. NTR może wynieść 60-70% więcej ładunku na trajektorię rejsową Ziemia-Mars w porównaniu z rakietą o napędzie chemicznym, wodorowo-tlenowym, natomiast STR pozwala zabrać 40-50% więcej ładunku w drogę. Oznacza to, że - zakładając wykorzystanie ciężkiej rakiety nośnej o napędzie chemicznym, o udźwigu 140 ton - stosując NTR lub STR można będzie wysłać na Marsa sześcioosobową załogę (trzech mechaników, trzech naukowców - i żadnego lekarza!),

LOT NA MARSA • 155

mając przy tym znacznie większą swobodę w kwestii doboru ładunku misji.

Inne wykorzystanie tych technologii może polegać na zmniejszeniu rozmiaru potrzebnej rakiety nośnej przy zachowaniu całego ładunku: zamiast rakiety nośnej, mogącej wynieść 140 ton na LEO, do wysłania misji wystarczyłaby rakieta 85-tonowa (z NTR) lub 100-tonowa (z STR). Druga z podanych wartości odpowiada udźwigowi „promu kosmicznego C" (czyli zasadniczo rakiety nośnej promu kosmicznego, jednak z pustym miejscem na ładunek zamiast orbitera; NASA ocenia, że taką rakietę nośną można by bardzo szybko zbudować za sumę rzędu 1-2 miliardów dolarów, czyli za znacznie mniej niż wynoszą koszty konstrukcji rakiety klasy Saturn 5). Druga z podanych wartości odpowiada udźwigowi rosyjskiej rakiety nośnej Energia, chociaż stosunkowo wąska przestrzeń ładunkowa w rakiecie Energia musiałaby zostać nieco poszerzona, aby pomieścić zajmujący dużo miejsca zapas paliwa wodorowego, potrzebnego misjom wykorzystującym NTR lub STR.

Niewykluczone, że wyprawa na Marsa mogłaby wyruszyć w ogóle bez pomocy ciężkiej rakiety nośnej. Stany Zjednoczone rozpoczęły ambitny program konstrukcji rakiet jedno-stopniowych wielokrotnego użytku (SSTO); po wykonaniu swego zadania rakiety te nadawałyby się do ponownego wykorzystania. Program został zainspirowany przez wizjonerów, Gary'ego Hudsona i Maxa Huntera, a następnie zyskał silne poparcie dzięki uruchomieniu małej, suborbitalnej rakiety (DC-X, produkcji McDonnell Douglas), którą szybko skonstruował zespół porucznika Pete Wordena z Ballistic Missile Defense Organisation. (Bili Gaubatz, kierownik programu DC-X, zdołał zrealizować projekt za 60 milionów dolarów, co może okazać się przydatnym argumentem, zwłaszcza gdy ktoś będzie twierdził, że na ten cel potrzeba 10 miliardów dolarów i bardzo dużo czasu). Projekt, przejęty obecnie przez NASA i nazwany X-33, boryka się z wieloma trudnościami technicznymi, ponieważ przy założeniu wykorzystania napędu rakietowego na wodór i tlen (co przyjmują wszystkie

156 • CZAS MARSA

rozważane projekty X-33), masa własna SSTO powinna wynosić jedynie 10% całkowitej masy startowej (z paliwem). Stanowi to poważną trudność, gdyż paliwo wodorowe zajmuje bardzo dużo miejsca, a pojazd musi być wyposażony w system ochrony termicznej, który pozwoli rakiecie przetrwać wejście w atmosferę (rakiety jednorazowego użytku nie muszą spełniać tego warunku). Aby rakieta SSTO mogła działać, konieczny jest postęp w licznych dziedzinach - mam na myśli silniki, lekkie materiały strukturalne i systemy ochrony termicznej. Nie rna żadnej gwarancji, że potrzebne rozwiązania technologiczne zostaną znalezione. Niemniej wydaje się, że zaczynają się właśnie poważne prace nad tymi zagadnieniami, a amerykańska wynalazczość rzadko ponosi klęskę, gdy zapewni się właściwe fundusze i postawi odpowiedni problem do rozwiązania. Obecnie kwestia finansowania badań nad SSTO w dłuższej perspektywie wygląda jednak problematycznie. NASA wyznaczyła programowi siedemnastoletni okres realizacji, a nie sądzę, by przez tak długi czas utrzymała się polityczna zgoda w tej sprawie. Mam wrażenie, że program zakończy się niepowodzeniem, jeśli prace nie zostaną radykalnie przyspieszone. Powiedzmy jednak, że program zakończył się pomyślnie. Co z tego wyniknie dla planu Mars Direct?

Aby rakiety SSTO okazały się naprawdę przydatne podczas realizacji misji Mars Direct, potrzeba rozwiązania z silnikiem, przystosowanym do wykorzystania zarówno paliwa wodór/tlen, jak i metan/tlen. (Wystarczyłby też silnik pracujący wyłącznie na metanie i tlenie. Wiodący konstruktor SSTO, Max Hunter, uważa, że paliwo metan/tlen jest równie obiecujące jak wodór/tlen. Większa gęstość paliwa metanowego pozwala na konstrukcję mniejszych, a przez to lżejszych zbiorników, co kompensuje niższy impuls właściwy w porównaniu z paliwem wodorowym). Nie jest to wykluczone: silniki RL-10 firmy Pratt & Whitney, dostosowane do paliwa wodór/tlen, pomyślnie przeszły testy z wykorzystaniem metanu/tlenu. Co więcej, pewna technologia silników rakietowych, opracowana przez Rosjan, pozwala podobno na zamienne stosowanie

LOT NA MARSA • 157

w silnikach skonstruowanych z myślą o wodorze/tlenie mieszanki nafta/tlen, co daje znacznie większą swobodę wyboru paliwa, gdyż metan znacznie bardziej przypomina wodór niż nafta.

W porządku, powiedzmy, że mamy to, co chcemy. SSTO ma masę własną 60 ton, zabiera 600 ton paliwa (86 ton wodoru i 514 ton tlenu) i może wynieść ładunek 10 ton na LEO. Wysyłamy więc na LEO rakietę SSTO z 10 tonami wyposażenia potrzebnego do odbycia misji na Marsa i zostawiamy ją na orbicie. Następnie transportujemy na orbitę - w serii dodatkowych ponad 20 startów - 200 ton materiału napędowego i 30 ton ładunku. („Ładunek" ten obejmuje 20 ton ciekłego wodoru, który nie zostanie spalony podczas rejsu Ziemia-Mars, lecz będzie użyty do produkcji materiału napędowego na Marsie; wodór ów można jednak przechowywać w zbiornikach paliwowych statku). Mamy więc orbitującą SSTO z 40 tonami ładunku oraz wystarczającą ilością materiału napędowego, by wysłać statek na Marsa po trajektorii minimalnego zużycia paliwa. Nazwiemy ten statek ERY/SSTO 1. Po starcie leci on na Marsa z pełnym ładunkiem, takim samym, jak niesiony przez normalny ERY, wchodzi na orbitę okołomarsjańską i ląduje na powierzchni planety (SSTO, skonstruowana do przetrwania ponownego wejścia w ziemską atmosferę, z łatwością zniesie wejście w atmosferę Marsa, które stawia mniejsze wymagania systemowi ochrony termicznej). Podobnie jak w standardowym planie Mars Direct, rakieta ustawia reaktor i instalację chemiczną, która zacznie produkcję 332 ton paliwa metan/tlen z 20 ton przywiezionego z Ziemi wodoru (320 ton na powrót na Ziemię, 10 ton dla roverów) oraz 9 ton wody. (Konieczne jest wyprodukowanie znacznie większej ilości materiału napędowego, niż w standardowym planie Mars Direct, gdyż SSTO jest rakietą jednostopniową, a ERY - dwustopniową, która przenosi stosunkowo dużą masę wyposażenia i będzie wielokrotnie wykorzystywana. Oba czynniki odgrywają znaczącą rolę, jeśli chodzi o wielkość zapasu paliwa). W tym samym czasie inna rakieta SSTO wynosi na LEO 10 ton ładunku. 24 kolejne starty SSTO służą dostarczeniu dalszych

158 • CZAS MARSA

20 ton ładunku, 220 ton paliwa oraz - podczas ostatniego lotu - wyniesieniu na orbitę astronautów. Ten drugi statek, nazwijmy go Hab/SSTO l, zabiera załogę, 30 ton ładunku oraz wystarczający zapas paliwa, by umieścić statek na 180--dniowej trajektorii koniunkcyjnej Ziemia-Mars. Zakładam, że zestawienie ładunku drugiej rakiety SSTO odbywa się na krótko przed otwarciem się okna, umożliwiającego wysłanie statku na Marsa. W tej sytuacji załoga może wyruszyć w drogę, pod warunkiem że napełnienie paliwem pierwszej rakiety SSTO zakończyło się pomyślnie na powierzchni Czerwonej Planety. 180 dni później, gdy załoga dociera na Marsa, spotykają się na powierzchni z ERY/SSTO 1. Wkrótce po przybyciu astronautów z Ziemi wyrusza drugi bezzałogowy statek SSTO z ładunkiem, ERY/SSTO 2, i po osiągnięciu Czerwonej Planety przystępuje do produkcji paliwa na drogę powrotną załogi następnej misji (służąc jednocześnie za statek zapasowy dla załogi Hab/SSTO 1) - podobnie jak w scenariuszu standardowej misji Mars Direct Astronauci spędzą 600 dni na powierzchni Marsa, po czym wrócą na Ziemię na pokładzie ERY/SSTO l. Krótko po ich starcie z Marsa kolejna rakieta SSTO (Hab/SSTO 2) wyruszy z Ziemi, niosąc następną załogę, która podejmie zadanie zbadania Czerwonej Planety. Statkowi będzie towarzyszyć ERY/SSTO 3, bezzałogowy statek dla trzeciej misji. Załoga Hab/SSTO 2 powróci na Ziemię w ERY/SSTO 2 i tak dalej -misje będą postępowały jedna za drugą, za każdym razem dodając kolejny moduł mieszkalny Hab/SSTO do infrastruktury marsjańskiej bazy. Wszystkie rakiety SSTO, które nie pozostaną na powierzchni Marsa, wrócą na Ziemię, zatem żaden statek się nie zmarnuje - w ten sposób plan staje się bardzo oszczędny.

Zauważmy, że każda misja na Marsa przeprowadzana według tego schematu wymaga w sumie 49 lotów SSTO. Byłoby groteskowe, gdyby SSTO działały w sposób zbliżony do współczesnych rakiet, startujących z częstością jednej na miesiąc. Jeśli jednak wierzyć osobom opowiadającym się za zastosowaniem SSTO, mogą one działać w sposób przypominający raczej współczesne samoloty, które wykonują parę

LOT NA MARSA • 159

lub więcej startów w tygodniu. Podejście to wiąże się z wykorzystaniem bardzo zaawansowanych technologii. Poza wymogiem, by rakiety SSTO osiągały nie znaną jeszcze dziś skuteczność i operatywność, konieczne będzie przetaczanie z jednej SSTO do drugiej ciekłego tlenu i ciekłego wodoru na orbicie, w warunkach zerowej grawitacji. Zarówno ciekły tlen, jak i ciekły wodór są płynami kriogenicznymi (ultrazim-nymi), a nigdy dotąd nie przelewano płynu kriogenicznego z jednego zbiornika do drugiego w warunkach zerowej grawitacji. Operacja ta może spowodować wiele problemów. Płyny te zamroziłyby elastyczny zbiornik, gdybyśmy chcieli go użyć, a pompy nie pracują w warunkach zerowej grawitacji, ponieważ nie ma wówczas sposobu na doprowadzenie płynu do miejsca ssania (pompa po prostu wyrzuci część płynu, po czym będzie bezczynna). Możliwe byłoby jednak przyspieszenie pojazdu przez odpalenie silników sterujących bądź doprowadzenie do powolnego obrotu zbiorników na platformie; wtedy dałoby się użyć urządzenia włoskowate oraz inne, wykorzystujące napięcie powierzchniowe, do kontroli ruchów płynu. Ponadto, przynajmniej w przypadku tlenu, możliwa jest kontrola ruchu płynu za pomocą magnesów. (Ciekły tlen jest paramagnetykiem - przystawiając magnes, można unieść go do góry). Krótko mówiąc, wprawdzie sytuacja nie jest beznadziejna, trzeba jednak włożyć jeszcze sporo pracy, by uzyskać potrzebne rozwiązania.

Na razie więc stawiam na tradycyjną wersję planu Mars Direct, zakładającą wykorzystanie jednorazowych rakiet nośnych, paliwa chemicznego, roverów ciągniętych przez konie (no, może nie dokładnie tak) i innych prymitywnych urządzeń Ciemnych Wieków ery kosmicznej. Być może są lepsze sposoby dostania się na Marsa; skorzystamy z nich, gdy tylko będą dostępne. Sądzę jednak, że najprawdopodobniej wcześniej dotrzemy na Marsa. Przypomnijmy sobie, co się mówiło kiedyś o zdobywcach siedmiu mórz - potrzebni byli żelazni ludzie i drewniane statki, a nie drewniani ludzie i żelazne statki. Podobnie będzie z Marsem. Możemy dostać się na Marsa, dysponując wyłącznie dzisiejszym sprzętem.

160 • CZAS MARSA

RÓŻNICA PRĘDKOŚCI AV I PRĘDKOŚĆ HIPERBOLICZNA

W rozdziale tym dużo mówiłem o różnicach prędkości AV i prędkości hiperbolicznej. Choć ze sobą powiązane, AV i prędkość hiperbo-liczna to dwie różne wielkości.

Zmiana prędkości AV, mierzona w jednostkach prędkości, na przykład km/s, jest podstawową „walutą" w dziedzinie konstrukcji rakiet. Znając masę własną M statku kosmicznego (tj. masę statku bez materiału napędowego), ilość paliwa P i prędkość gazów odrzutowych C danego silnika rakietowego, możemy wyznaczyć wartość AV, jaką może osiągnąć rozważany układ, posługując się równaniem, nazywanym równaniem rakietowym:

P)/M= eAV/c.

Z równania rakietowego wynika, że stosunek (M + P)/M, tzw. stosunek mas, rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem AV/C. Dla AV/C = l stosunek mas wynosi e1 = 2,72, dla AV/C = 2 wynosi e2 = 7,4, dla AV/C = 3 stosunek mas równy jest 20, l, a dla AV/C = 4 - 54,6. Zależność wykładnicza jest bardzo silna: niewielka zmiana AV/C może pociągać za sobą wielki skok stosunku mas. W rzeczywistości sytuacja przedstawia się jeszcze gorzej, gdyż masa własna obejmuje nie tylko ładunek, który staramy się wysłać, ale także masę zbiorników paliwowych i silników rakietowych, napędzających statek, a oba te dodatkowe obciążenia zależą jeszcze od P. Stąd przy wzroście AV/C masa statku kosmicznego rośnie w tempie szybszym niż wykładnicze; przyrost ten jest tak gwałtowny, że - w zależności od ciężaru właściwego materiałów konstrukcyjnych i gęstości materiału napędowego - masa jednostopniowej rakiety zmierza do nieskończoności już między AV/C = 2 a AV/C = 3! Z tego powodu konstruktorzy rakiet dają z siebie wszystko, byle tylko zmniejszyć AV i zwiększyć C.

Przy okazji zainteresuje, być może, Czytelnika, że wartość prędkości gazów odrzutowych rakiety, wyrażoną w m/s, otrzymujemy, mnożąc impuls właściwy rakiety Isp przez 9,8. Aby otrzymać prędkość gazów odrzutowych w km/s, trzeba pomnożyć Isp przez 0,0098.

C [m/s] = (9,8) x (Isp), C [km/s] = (0,0098) x (Isp).

(2)

Różnica prędkości AV, jaką silniki rakietowe statku kosmicznego muszą wytworzyć, nie pokrywa się z prędkością hiperboliczną, będącą względną prędkością rakiety w momencie opuszczania planety

LOT NA MARSA • 161

lub przybywania na nią. Następująca zależność wiąże prędkość hi-perboliczną Vh, różnicę prędkości osiągniętą przez silniki rakietowe statku kosmicznego AV oraz maksymalną prędkość przylotu zbliżającego się statku Vr:

(V0 + AV)2 = Ve2

V2 = Vr2,

(3)

gdzie V0 jest prędkością statku kosmicznego w najniższym punkcie orbity wylotu, a Ve - prędkością ucieczki z danej planety (dla Ziemi Ve wynosi 1 1 km/s, a dla Marsa 5 km/s). Rysunki 4.3 i 4.4 ilustrują zależność między czasem trwania lotu, prędkością hiperboliczną, AV i masą misji, przyjmując, że w rejs międzyplanetarny z niskiej orbity okołoziemskiej bądź orbity okołomarsjańskiej startuje statek kosmiczny o masie 20 ton.

12-r

E S

0_ E

4 -

całkowita masa wyprawy

Av z LEO

prędkość hiperboliczną

120

160 200

czas trwania rejsu (dni)

240

280

Rys. 4.3. Współzależność średniego czasu lotu międzyplanetarnego, prędkości hiperbolicznej, AV i masy statku kosmicznego dla lecącego na Marsa 20-tonowego statku, opuszczającego Ziemię z niskiej orbity okołoziemskiej (LEO), wykorzystującego paliwo chemiczne (mieszanina wodór/tlen, zapewniająca impuls właściwy Isp = 450 s). Zwróćmy uwagę, że dla okresu poniżej 170 dni masa misji zaczyna stromo piąć się w górę.

162 • CZAS MARSA

całkowita masa wyprawy prędkość hiperboliczna Av z LMO

.* n)

73 (S Q. E

140

160 180 200 czas trwania rejsu (dni)

220

240

Rys. 4.4. Współzależność czasu lotu międzyplanetarnego, prędkości hi-perbolicznej, AV i masy statku kosmicznego dla lecącego na Ziemię 20-tonowego statku, opuszczającego Marsa z niskiej orbity okołomars-jańskiej (LMO), wykorzystującego paliwo chemiczne (mieszanina metan/tlen, zapewniająca impuls właściwy Isp = 380 s). Zwróćmy uwagę, że masa misji nie rośnie gwałtownie, dopóki nie staramy się skrócić czasu lotu poniżej 170 dni.

ROZDZIAŁ 5

JAK POKONAĆ SMOKI I OMINĄĆ SYRENY

W dawnych czasach, zanim Ziemia została zbadana, kartografowie zwykli ozdabiać mapy, rysując w miejscu nie poznanych jeszcze obszarów wyimaginowane stwory, między innymi groźne smoki, gotowe połknąć statek w całości, oraz piękne, lecz równie niebezpieczne syreny, śpiewem nęcące żeglarzy ku przybrzeżnym skałom. Choć smoki żyły tylko w wyobraźni, zdołały odstraszyć niejednego potencjalnego podróżnika i przez to opóźnić poznawanie Ziemi o całe wieki. Podobnie z syrenami - nie musiały istnieć naprawdę, by żeglarze, słysząc ich śpiew, zbaczali z kursu, przez co wiele obiecujących wypraw kończyło się tragicznie.

I dziś jest podobnie. Śmiałkowie, którzy chętnie wyruszyliby na Marsa, oglądają mapy wciąż wypełnione smokami. Podczas planowania misji przeszkadzają takie potwory, jak promieniowanie, zerowa grawitacja, czynnik ludzki, burze pyłowe i groźba zatrucia Ziemi; starają się one zniechęcić potencjalnych astronautów (bezskutecznie), planistów misji (do pewnego stopnia skutecznie) i sponsorów (bardzo skutecznie). Istnieje też syrena o imieniu Diana, bogini Księżyca, której śpiew wzywa marsjańskich żeglarzy ku jałowym obszarom. Jeśli chcemy dotrzeć na Marsa, musimy wyczyścić mapy. Trzeba zabić smoki, cyklopy i inne wyimaginowane potwory oraz zdemaskować oszukańczą naturę syren.

164 • CZAS MARSA

Niebezpieczeństwa związane z promieniowaniem

Jednym z potworów zagradzających drogę na Marsa jest promieniowanie. Twierdzi się, że bezpieczną podróż może nam zagwarantować jedynie nie istniejący jeszcze, superszybki statek kosmiczny, zdolny błyskawicznie przewieźć załogę przez skażone promieniowaniem obszary przestrzeni kosmicznej. Lub też, inaczej, tylko ogromny statek o masie porównywalnej z masą planetoid jest w stanie zapewnić astronautom skuteczną ochronę przed promieniowaniem. Mówi się ponadto, że promieniowanie kosmiczne jest zjawiskiem zupełnie nieznanym, więc zaryzykować podróż na Marsa będzie można dopiero po kilkudziesięciu latach badań wpływu promieniowania na człowieka w przestrzeni międzyplanetarnej.

Prawie wszystkie przytoczone opinie to kompletne bzdury. Prawdą jest tylko to, że promieniowanie jest śmiertelne - ale jedynie w nadmiernie wysokich dawkach.

Człowiek wyewoluował w środowisku o znaczącym naturalnym tle promieniowania. W Stanach Zjednoczonych ludzie żyjący blisko morza otrzymują roczną dawkę w wysokości około 150 miliremów. (Milirem to tysięczna część rema, który jest w USA podstawową jednostką stosowaną do pomiaru dawki promieniowania. Europejczycy używają siwertów. l siwert to 100 remów). Z drugiej zaś strony ci, którzy mogą sobie pozwolić na mieszkanie w Vail lub Aspen, otrzymują roczną dawkę promieniowania w wysokości ponad 300 miliremów, gdyż zrzekają się znacznej części naturalnej osłony przed promieniowaniem kosmicznym, zapewnianej przez ziemską atmosferę. Potrzebujemy pewnej ilości promieniowania, gdyż człowiek wyewoluował w obecności promieniowania. Choć wydaje się to stać w sprzeczności z panującą powszechnie opinią, na rzecz której działają rozmaite rządowe agencje, liczne badania wykazały, że stan zdrowia ludzi, przebywających w nienaturalnym, zupełnie pozbawionym promieniowania środowisku, znacznie się pogarsza w porównaniu ze stanem zdrowia osób, wystawionych na działanie naturalnego promieniowania jonizującego.

JAK POKONAĆ SMOKI I OMiNĄĆ SYRENY • 165

Zjawisko to, zwane hermezą radiacyjną1, wynika z tego, że ludzki organizm potrzebuje bombardowania ze strony naturalnego promieniowania, aby utrzymywać w gotowości mechanizmy regeneracyjne. Nie wiemy, ile dokładnie wynosi dla człowieka optymalna dawka promieniowania, lecz z pewnością nie jest to zero.

Oczywiście, pamiętać musimy, że bardzo wysokie dawki promieniowania, otrzymane w bardzo krótkim czasie, mogą okazać się śmiertelne; na przykład w przypadku ogromnych dawek promieniowania, pochodzących z rozbłysku promieni y w wyniku wybuchu bomby atomowej, wystarczą sekundy, a minuty, gdy mamy do czynienia z promieniowaniem spowodowanym substancjami, które wyciekły z uszkodzonego reaktora jądrowego. Efekty wystawienia na tak znaczne dawki promieniowania w krótkim czasie są dobrze znane dzięki badaniom ofiar bomb atomowych w Hirosimie i Nagasaki. Badania te wykazały, że krótkotrwałe dawki promieniowania w wysokości nie przekraczającej 75 remów nie powodują żadnego widocznego uszczerbku na zdrowiu. W przypadku dawek promieniowania od 75 do 200 remów, otrzymanych w bardzo krótkim okresie, na chorobę popromienną (której symptomy obejmują wymiotowanie, zmęczenie i utratę apetytu) będzie cierpieć od 5% do 50% ludzi, przy czym liczba zachorowań zwiększa się w miarę jak dawka rośnie. Przy dawce sięgającej 200 remów znakomita większość chorych wróci do zdrowia po upływie paru tygodni. Przy dawce 300 remów wszyscy zapadną na chorobę popromienną, pojawią się też pierwsze ofiary śmiertelne, których liczba wzrasta z 50% przy dawce 450 remów do 80% przy 600 remach. Prawie nikt nie przeżyje dawki 1000 remów lub więcej.

Efekty te są powodowane przez promieniowanie przyjmowane w skali czasowej znacznie krótszej od skali właściwej dla procesów odtwarzania komórek i regeneracji organizmu, liczonej w tygodniach czy miesiącach. Podobnie jest w przypadku

1 M. Goldman: Cancer Risk of Low Level Exposure, „Science", 29 marca 1996. S. Kondo: Health Effects of Low Level Radiation. Kinki University Press, Osaka 1993.

166 • CZAS MARSA

picia alkoholu lub przyjmowania innych toksycznych substancji chemicznych. Człowiek może przez wiele lat wypijać codziennie lampkę martini bez żadnych niekorzystnych efektów dla zdrowia, gdyż za każdym razem wątroba ma dość czasu na oczyszczenie organizmu. Wypicie stu martini w jedną noc byłoby zabójcze. Podobnie w przypadku promieniowania: jest szkodliwe, gdyż powoduje, że w komórkach żywych organizmów zachodzą reakcje chemiczne, wytwarzające toksyny, które mogą zabić lub rozregulować komórki. Poniżej pewnej dawki promieniowania komórka dzięki swym zdolnościom regeneracyjnym jest w stanie pozbyć się toksyn. Przy znacznie wyższych dawkach promieniowania tkanki ludzkiego organizmu mogą wytworzyć komórki zastępcze na miejsce komórek zniszczonych przez promieniowanie, pod warunkiem że utrata zniszczonych komórek nie zagraża organizmowi. Poważne szkody zdrowotne powodowane są przez promieniowanie w dawkach przewyższających zdolności samoregeneracji organizmu.

Choroba popromienna i śmierć mogą być wynikiem nie tylko wysokich krótkotrwałych dawek promieniowania; mniejsze, lecz aplikowane przez dłuższy czas dawki zwiększają statystyczne prawdopodobieństwo zachorowania na raka zarówno

Tab. 5.1. Ryzyko zachorowania na raka z powodu długotrwałego wystawienia na dawki promieniowania w łącznej wysokości 100 remów.

RODZAJ RAKA

PRAWDOPODOBIEŃSTWO ZACHOROWANIA

NA ŚMIERTELNĄ ODMIANĘ RAKA

W CIĄGU 30 LAT

białaczka

rak piersi

rak płuc

rak przewodu pokarmowego,

w tym rak żołądka rak kości pozostałe Łącznie

0,30% 0,45% 0,40%

0,30% 0,06% 0,30% 1,81%

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 167

u człowieka, jak i u zwierząt. Dzieje się tak, ponieważ toksyny wytworzone w komórkach pod wpływem promieniowania mogą być substancjami rakotwórczymi. Nie do końca wiadomo, jaki jest związek między długotrwałymi dawkami promieniowania a późniejszymi zachorowaniami na raka, lecz był on badany znacznie dokładniej niż wpływ wszystkich pozostałych czynników rakotwórczych, obecnych w środowisku człowieka. Na przykład, w Wielkiej Brytanii przed rokiem 1960 leczono zapalenia stawów kręgosłupa, poddając szpik kostny pacjentów promieniowaniu. U pacjentów leczonych tą metodą zaobserwowano większą od średniej liczbę przypadków białaczki. Największe z badań objęło 14 554 dorosłych pacjentów, pozostających pod obserwacją przez okres 25 lat po leczeniu, w trakcie którego otrzymali indywidualne dawki promieniowania w wysokości od 375 do 2750 remów.2 Z badanej grupy na białaczkę zmarło 60 osób, podczas gdy średnia umieralność na białaczkę w losowo wybranej próbce współczesnej brytyjskiej populacji wynosiła 6. Mimo ogromnych dawek, śmiertelność wśród napromieniowanych pacjentów wyniosła jednak poniżej 0,5%. Na podstawie tego oraz setek podobnych badań amerykańska Narodowa Akademia Nauk i Narodowa Rada Badań Naukowych opublikowała miarodajny raport na temat biologicznych skutków promieniowania jonizującego (BEIR), podający przybliżone wartości statystycznego prawdopodobieństwa zachorowania na śmiertelną odmianę raka w ciągu 30 lat od wystawienia na działanie długotrwałych dawek promieniowania w łącznej wysokości 100 remów u osób powyżej dziesiątego roku życia (tab. 5.1).

Zgodnie z oceną BEIR prawdopodobieństwo zachorowania na śmiertelną odmianę raka wynosi około 1,8% w ciągu 30 lat na każde 100 remów napromieniowania. Jeśli zatem astronau-ta-kobieta będzie wystawiona na dawkę promieniowania w wysokości 50 remów podczas trwającej dwa i pół roku misji mars-

2 C. Comar i in.: The Effects on Population of Exposure to Low Levels of lonizing Radiation: Report of the Advisory Committee on the Biological Effects of lonizing Radiation (BEIR). Division of Medical Sciences, National Academy of Sciences and National Research Council, Washington, DC 1972.

168 • CZAS MARSA

jańskiej i po powrocie będzie jeszcze żyła co najmniej 30 lat, aż umrze ze starości, prawdopodobieństwo zachorowania na śmiertelną odmianę raka z powodu promieniowania, otrzymanego podczas wyprawy, wyniesie 50/100 x 1,81% = 0,905%. (Prawdopodobieństwo zachorowania na śmiertelną odmianę raka w ciągu jednego roku będzie równe 1/30 x 0,905% = 0,03%. Ryzyko zachorowania na raka spowodowanego promieniowaniem podczas samej wyprawy jest zaniedbywalnie małe). W przypadku astronauty-mężczyzny ryzyko zachorowania na raka, spowodowanego promieniowaniem, jest nieco niższe (można pominąć raka piersi) i wynosi 0,68%. Jeśli założymy, że astronauci nie palą, ryzyko zachorowania na raka wynosi około 20% bez uwzględniania podróży na Marsa i poniżej 21% przy uwzględnieniu podróży na Marsa.

W obliczeniach wziąłem pod uwagę długotrwałą (a nie otrzymaną w krótkim czasie) dawkę promieniowania w wysokości 50 remów podczas trwającej dwa i pół roku misji marsjańskiej. Zastanówmy się teraz nad następującą kwestią: w jaki sposób rozważane warianty załogowej wyprawy na Marsa wpływają na wysokość dawki promieniowania, otrzymanej przez załogę podczas misji?

Astronauci wystawieni są na dwa rodzaje promieniowania: promieniowanie spowodowane rozbłyskami słonecznymi oraz promieniowanie kosmiczne.

Rozbłysk słoneczny jest źródłem strumieni protonów, emitowanych ze Słońca w nieregularnych i nieprzewidywalnych odstępach czasu, średnio raz do roku. W przypadku rozbłysku słonecznego astronauta, który nie korzysta z żadnej osłony, jest narażony na dawkę kilkuset remów w ciągu paru godzin, czyli dawkę powodującą chorobę popromienną lub nawet śmierć. Energia pojedynczych cząsteczek, wyrzucanych w trakcie rozbłysku słonecznego, wynosi jednak około miliona elektronowoltów, mogą je więc z łatwością powstrzymać stosunkowo nieskomplikowane osłony. Analizując trzy największe zaobserwowane do tej pory rozbłyski słoneczne -z lutego 1956, listopada 1960 i sierpnia 1972 roku - zauważamy, że dawki promieniowania, na które narażeni byliby

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 169

astronauci, chronieni jedynie przez kadłub statku międzyplanetarnego, takiego samego typu, jak niosący moduł mieszkalny misji marsjańskiej (moduł wraz z kadłubem, meblami, rozmaitymi układami technicznymi, osprzętem i innymi przedmiotami stanowi osłonę o rozkładzie masy równym około 5 g/cm2 na obrzeżu), wyniosłyby średnio w przybliżeniu 38 remów; gdyby jednak astronauci udali się do pokładowego schronu, mieszczącego się w spiżarni (tam moduł mieszkalny Mars Direct stanowi osłonę równą około 35 g/cm2; patrz: rys. 5.1), byliby chronieni przez zgromadzone zapasy i otrzymana dawka promieniowania spadłaby do jakichś 8 remów.3 Jeśli podczas rozbłysku słonecznego, o natężeniu równym średniej dla trzech wspomnianych rozbłysków, astronauci znajdowaliby się wewnątrz modułu mieszkalnego na Marsie, byliby wystawieni na dawkę promieniowania około 10 remów poza schronem lub 3 remów wewnątrz schronu. (Na powierzchni Marsa dawki promieniowania są znacznie niższe z powodu osłony, zapewnianej przez atmosferę i powierzchnię Czerwonej Planety).

Sytuacja wygląda inaczej w przypadku promieniowania kosmicznego. Składa się ono z cząsteczek o energii sięgającej miliardów elektronowpltów, zatem do zabezpieczenia się przed nim potrzebne są osłony grubości wielu metrów, o co trudno podczas lotu międzyplanetarnego. Na samej powierzchni Marsa ochrona przed promieniowaniem kosmicznym nie nastręcza jednak poważniejszych trudności: planeta chroni przed promieniowaniem nadchodzącym od dołu, a worki z piaskiem zapewnią osłonę przed częścią promieni kosmicznych, które uderzają w moduł mieszkalny z góry.

Podobnie jak w przypadku rozbłysków słonecznych, promieniowanie kosmiczne zwykle nie występuje w dużych dawkach.

3 B. Clark, L. Mason: The Radiation Show Stopper to Mars Missions: A Solution, wykład podczas konferencji AAIA Space Programs and Technologies Conferen-ce, Huntsville, Alabama, wrzesień 1990. L. Simonson, J. Nealy, L. Townsend, J. Wilson: „Radiation Exposure for Manned Mars Surface Missions", NASA Technical Publication-2979, Waszyngton, DC 1990. J. Letaw, R. Silverberg, C. Tsao: Radiation Hazards of Space Missions, „Naturę", 330, nr 24 (1987): 709-10.

170 • CZAS MARSA

łazienka

pokój astronautyj

śluza powietrzna j

laboratorium

Rys 5 l Schemat modułu mieszkalnego w misji Mars Direct W razie rozbłysku słonecznego dodatkową ochronę zapewnia śluza powietrzna

Zazwyczaj jest obecne w postaci względnie stałego, słabego tła. Astronauta znajdujący się w module mieszkalnym podczas lotu przez przestrzeń międzyplanetarną otrzyma dawkę promieniowania kosmicznego wynoszącą 20-50 remów, w zależności od fazy jedenastoletniego cyklu aktywności plam słonecznych. Największe dawki promieniowania kosmicznego zdarzają się w trakcie minimum aktywności słonecznej, ponieważ podczas okresu największej aktywności pole magnetyczne Słońca rozszerza się i może do pewnego stopnia ochronić przed promieniami kosmicznymi, przybywającymi z przestrzeni międzygwiezdnej, cały Układ Słoneczny. Przyjmuje się, że średnia roczna dawka promieniowania kosmicznego podczas lotu międzyplanetarnego wyniesie 35 remów. Na powierzchni Marsa średnia roczna dawka sięga 9 remów bez żadnego zabezpieczenia, a 6 remów z zastosowaniem osłony w postaci worków z piaskiem na dachu modułu mieszkalnego. Ponieważ na Marsie załoga będzie spędzać większość czasu wewnątrz modułu mieszkalnego, szacuje się, że podczas pobytu na powierzchni planety średnia roczna dawka promieniowania kosmicznego wyniesie 7 remów.

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 171

Zbierając powyższe dane i uwzględniając możliwe warianty misji (koniunkcyjna i opozycyjna) oraz zakładając, że podczas trwania wyprawy raz do roku dochodzi do rozbłysku słonecznego o intensywności równej średniej z trzech największych zaobserwowanych rozbłysków słonecznych, otrzymujemy przewidywane wartości dawek promieniowania, podane w tabeli 5.2.

Zgodnie z rozważaniami z poprzedniego rozdziału wyprawa na Marsa odbędzie się po trajektorii koniunkcyjnej, a całkowita dawka promieniowania, otrzymana podczas drogi w obie strony oraz pobytu na powierzchni, wyniesie 41-62 remy, w zależności od fazy cyklu aktywności Słońca. Zatem wartość 50 remów wydaje się realistyczną oceną dawki promieniowania podczas podróży w obie strony oraz pobytu na Marsie, uśrednioną w stosunku do okresów największej i najmniejszej aktywności słonecznej. Widzimy także, że projekt Mars Direct przewiduje, iż największa możliwa dawka promieniowania, spowodowana rozbłyskami słonecznymi, wynosi około 5 remów, a zatem znacznie poniżej progu 75 remów, po którego przekroczeniu pojawiają się symptomy choroby popromiennej, związanej z napromieniowaniem w krótkim okresie.

Przyglądając się wartościom podanym w tabeli 5.2, widzimy, jak bardzo nietrafione są argumenty za misjami opozycyjnymi,

Tab. 5.2. Dawki promieniowania podczas misji marsjańskiej.

MISJA KONIUNKCYJNA

MISJA OPOZYCYJNA

Promieniowanie kosmiczne

podczas lotu 31,8rema

Rozbłyski słoneczne

podczas lotu 5,5 rema

Promieniowanie kosmiczne

na Marsie 10,6 rema

Rozbłyski słoneczne

na Marsie 4, l rema

Średnia całkowita dawka 52,0 rema

47,7 rema 9,6 rema 0,8 rema

0,3 rema 58,4 rema

172 • CZAS MARSA

powołujące się na ograniczenie dawki otrzymanego promieniowania. Mimo znacznie większej masy statku i kosztów wyprawy oraz ograniczonej użyteczności misji (spowodowanej krótkim pobytem na powierzchni planety), całkowita dawka promieniowania podczas misji opozycyjnej jest wyższa niż w trakcie misji koniunkcyjnej, a krótkotrwała dawka promieniowania, spowodowanego rozbłyskami słonecznymi, jest większa o 75%. Zasadniczo jednak można oszacować długotrwałe dawki promieniowania podczas obu wariantów, a ryzyko związane z nimi jest zaniedbywalnie małe w porównaniu z innymi czynnikami, nieuniknionymi podczas załogowych lotów kosmicznych. Jedyny poważniejszy element ryzyka wiąże się z niebezpieczeństwem wystąpienia podczas wyprawy wyjątkowo silnego, nie spotykanego w ciągu ostatnich 50 lat rozbłysku słonecznego, emitującego znacznie więcej promieniowania. Ryzyko takie jest wyższe w przypadku wyboru trajektorii opozycyjnych, dopuszczających przejście w pobliżu Słońca. Nie ma zatem powodu, związanego z ochroną przed promieniowaniem, by przekładać misję opozycyjną nad koniunkcyjną (za którą opowiada się projekt Mars Direct) lub nawet nad trajektorie o minimalnych wymaganiach energetycznych. Biorąc pod uwagę zagrożenie promieniowaniem, trajektoria opozycyjna jest najgorsza z możliwych.

Przy okazji: choć pewne osoby, pragnące uzyskać spore fundusze na badania w tej dziedzinie, starają się zasiać panikę, nic niesamowitego nie różni promieniowania kosmicznego od innych rodzajów promieniowania. Promienie kosmiczne odpowiedzialne są, w przybliżeniu, za połowę dawki promieniowania otrzymywanej w ciągu całego życia przez ludzi na powierzchni Ziemi, przy czym osoby, które mieszkają lub pracują na dużych wysokościach, otrzymują całkiem spore dawki. Na przykład pilot samolotu transatlantyckiego, odbywający jedną podróż dziennie przez pięć dni w tygodniu, otrzymałby roczną dawkę promieniowania kosmicznego w wysokości około jednego rema. W ciągu 25 lat pracy w takich warunkach pilot narażony byłby na dawkę promieniowania kosmicznego, która wynosiłaby połowę całkowitej dawki promieniowania kosmicz-

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 173

nego, otrzymanej przez członka wyprawy na Marsa, trwającej dwa i pół roku.

Wykorzystując tylko chemiczny napęd rakietowy, możemy wysłać ludzi na Marsa, zapewniając im pobyt na powierzchni planety i lot powrotny tak, by dawka promieniowania nie przekroczyła mniej więcej 50 remów. Choć, oczywiście, dawki tej wielkości nie są ogólnie zalecane, stanowią jedynie niewielki ułamek ryzyka, związanego nie tylko z podróżami kosmicznymi, lecz również z takimi formami aktywnego odpoczynku, jak wspinaczka górska czy pływanie na żaglówce. Niebezpieczeństwa związane z promieniowaniem nie są przeszkodą dla załogowych lotów na Marsa.

Stan nieważkości

Następny smok, który zagradza nam drogę na Marsa, to nieważkość. Słyszymy, że długotrwałe przebywanie w stanie nieważkości wprowadza ryzyko pogorszenia stanu ludzkich tkanek mięśniowych i kostnych, i z tego powodu, zanim zdecydujemy się wysłać astronautów na Marsa, będziemy musieli przeprowadzić długie i szczegółowe badania, polegające na poddaniu ludzi długotrwałemu oddziaływaniu zerowej grawitacji na pokładzie orbitalnej stacji kosmicznej. Program taki trwałby kilkadziesiąt lat i kosztował wiele miliardów dolarów, przeznaczonych na badania naukowe dotyczące wpływu stanu nieważkości na żywe organizmy; wymagałby także poświęcenia ze strony kilkudziesięciu osób, gotowych utracić zdrowie „dla dobra nauki".

Moim zdaniem argument ten jest bardzo dziwaczny. Bez wątpienia długotrwałe przebywanie w warunkach zerowej grawitacji powoduje pogorszenie stanu naczyń sercowych, odwapnienie i demineralizację kości oraz ogólne pogorszenie sprawności mięśni, spowodowane brakiem ćwiczeń fizycznych. Stan nieważkości wpływa niekorzystnie również na układ odpornościowy człowieka. Wspomniane efekty są dobrze udokumentowane dzięki doświadczeniom amerykańskich astronautów na

174 • CZAS MARSA

stacji Skylab, którzy przebywali na orbicie do trzech miesięcy, oraz dzięki badaniom radzieckich kosmonautów, pozostających w orbitalnej stacji kosmicznej Mir w warunkach zerowej grawitacji przez okresy ponadpólroczne. Warto przy tym zdać sobie sprawę z tego, że niektórzy kosmonauci znajdowali się na orbicie przez prawie osiemnaście miesięcy, a więc prawie trzy razy dłużej niż, zgodnie z projektem Mars Direct, trwać będzie podróż z Ziemi na Marsa lub lot powrotny. We wszystkich znanych przypadkach po powrocie do środowiska ziemskiego i ponownym przystosowaniu do warunków grawitacji następowała niemal całkowita regeneracja mięśni i układu odpornościowego. Proces demineralizacji kości zatrzymuje się po powrocie na Ziemię, choć wydaje się, że przywrócenie kościom pierwotnego stanu trwa bardzo długo. Rosjanie eksperymentowali z rozmaitymi metodami przeciwdziałania skutkom zerowej grawitacji, takimi jak intensywne ćwiczenia fizyczne, specyficzne lekarstwa oraz elastyczne „pingwinie kombinezony", zmuszające ciało do znacznego wysiłku fizycznego podczas wykonywania zwykłych ruchów. Zgodnie z oczekiwaniami, program intensywnych ćwiczeń fizycznych (trzy godziny dziennie) okazał się skuteczny w zwalczaniu ogólnego pogorszenia stanu mięśni oraz, do pewnego stopnia, pogorszenia stanu naczyń sercowych. Nie znamy jednak na razie skutecznych metod spowolnienia procesu demineralizacji kości. Powinniśmy rozumieć, że choć opisywane skutki są bez wątpienia niepożądane, w żadnym przypadku przebywanie w stanie nieważkości nie przeszkodziło astronautom lub kosmonautom zadowalająco wywiązywać się ze swych obowiązków, a nawet po najdłuższych lotach członkowie załogi w ciągu 48 godzin po lądowaniu niemal całkowicie odzyskiwali sprawność. Na przykład, 48 godzin po wylądowaniu astronauci, którzy spędzili na stacji Sky-lab 84 dni, potrafili rozgrywać wyczerpujące partie tenisa. Powrót do sprawności po dotarciu na Marsa po sześciomiesięcznej podróży w stanie nieważkości powinien być łagodniejszy, gdyż po wylądowaniu astronauci będą musieli przyzwyczaić się do marsjańskiej grawitacji, wynoszącej zaledwie 0,38 g; będzie to znacznie mniej dotkliwe niż w przypadku po-

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 175

wrotu na Ziemię, gdzie grawitacja równa się l g. Chodzi jednak o to, że przeprowadzono bardzo wiele badań na ten temat i dobrze wiemy, jakie są skutki. Gdy weźmiemy to pod uwagę, nasuwa się pytanie, czy jest konieczne, a nawet - czy jest etyczne - poddawać następne załogi astronautów kolejnym eksperymentom wyłącznie w celu przeprowadzenia dalszych badań nad pogarszaniem się zdrowia w stanie nieważkości. Moim zdaniem - nie. Byłbym nawet skłonny określić proponowany program tego rodzaju badań jako nieetyczny i bezwartościowy. Znam wielu astronautów, którzy są tego samego zdania. Po prostu nie ma sensu narażać dziesiątków astronautów na większe dawki zerowej grawitacji niż wiążące się z wyprawą na Marsa, by „zapewnić bezpieczeństwo" znacznie mniej licznej załodze lecącej na Czerwoną Planetę. To tak, jakby szkolić pilotów bombowców, każąc im latać w ogniu prawdziwej artylerii przeciwlotniczej. Jeśli jesteśmy gotowi zaakceptować zdrowotne konsekwencje długotrwałego przebywania w warunkach zerowej grawitacji, tym bardziej powinniśmy zdecydować się na podróż na Marsa.

W rzeczywistości podczas lotu na Marsa nie trzeba wcale przebywać w stanie nieważkości. Wywołując ruch obrotowy statku międzyplanetarnego, powodujemy powstanie „sztucznej grawitacji". Zjawisko wynika z praw fizyki, opisujących siłę odśrodkową, tych samych, które sprawiają, że woda nie wylewa się z wiaderka, gdy obracamy się, trzymając je za pałąk. Równanie opisujące ten efekt ma następującą postać:

F=0,OOim2R,

gdzie F jest siłą odśrodkową, mierzoną w jednostkach ziemskiej grawitacji (g), Q tempem obrotu, wyrażonym liczbą obrotów na minutę, a R długością ramienia obrotu w metrach. Przytaczam to równanie, gdyż pozwala ono zrozumieć, że aby osiągnąć założoną wartość siły odśrodkowej, można wykorzystać następującą zależność: im większa wartość Q, tym mniejsza może być wartość R. Jeśli na przykład chcemy wytworzyć sztuczną grawitację o wartości równej sile ciążenia na Marsie

176 • CZAS MARSA

(F = 0,38), powinniśmy przyjąć Q = l, R = 345 m. Ale jeśli Q = 2, to wystarczy R = 86 m; jeśli Q = 4, to R = 22 m, a dla Q = 6, wystarczy R = 10 m. Są zatem dwa sposoby wytworzenia sztucznej grawitacji: albo szybki obrót i krótkie ramię, albo powolny obrót i długie ramię. Przez „ramię obrotu" rozumiem odległość między położeniem załogi a środkiem ciężkości, dookoła którego obraca się statek. Jeśli statek kosmiczny jest pojedynczą, sztywną konstrukcją, można bez trudu spowodować jego obrót, umieszczając na dwóch końcach niewielkie rakietowe silniki, działające w przeciwnych kierunkach. Gdybyśmy jednak chcieli wytworzyć znacznie silniejsze sztuczne pole grawitacyjne, musielibyśmy zastosować metodę szybkiego obrotu z krótkim ramieniem. W latach sześćdziesiątych przeprowadzano w NASA doświadczenia z ludźmi umieszczonymi na obracających się konstrukcjach, i stwierdzono, że w urządzeniach wirujących w tempie 6 obrotów na minutę początkowa dezorientacja mija i organizm przystosowuje się do zmienionych warunków życia, poruszania się i działania.4

Układy sztucznej grawitacji, wykorzystujące szybki obrót przy krótkim ramieniu, są łatwe w budowie i zastosowaniu, lecz mają także pewne wady. Jeśli na przykład R = 10 m, osoba o wzroście 2 m będzie miała głowę na wysokości R = 8 m, a zatem w polu grawitacyjnym równym 80% wartości siły ciążenia przy stopach. Tak znaczna różnica jest odczuwalna i nieco kłopotliwa. Jeśli zaś ramię obrotu wynosiłoby 100 m, dwumetrowy człowiek odczuwałby przy głowie 98% wartości siły grawitacji przy stopach; różnica byłaby niezauważalna. Ponad-•to, jeśli astronauta chodziłby szybko po pokładzie statku kosmicznego, odczuwałby działanie siły Coriolisa, powstającej na skutek wykonywanych przez człowieka prób poruszania się po linii prostej na statku, który nie tylko leci ruchem postępowym, lecz dodatkowo gwałtownie zmienia kierunek ruchu, wirując. Znowu powtarza się identyczna sytuacja: przy sześciu obrotach na minutę efekty te są zauważalne, lecz przy 2 obro-

4 A. Thompson: Artificial Gravity for Long Duration Space Missions, wykład na forum zespołu do opracowywania scenariuszy w firmie Martin Marietta.

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 177

tach na minutę - zaniedbywalnie małe. Najlepszą metodą wytworzenia sztucznego pola grawitacyjnego, dającego znane z Ziemi poczucie stałego lądu pod stopami, jest zastosowanie układu, który obraca się powoli, mając bardzo długie ramię obrotu. (Uważam, że choć pożądany, nie jest to wymóg konieczny; na przykład marynarze na statkach kołyszących się na powierzchni morza bez trudu przystosowują się do środowiska z bardzo chwiejną grawitacją i siłami Coriolisa). Bardzo długie ramię obrotu (setki lub tysiące metrów) można uzyskać, dzieląc statek kosmiczny na parę części, połączonych ze sobą długimi linami, czyli „uwięziami".

Chociaż takie rozwiązanie jest doskonałe, w przeszłości patrzono na nie krzywym okiem, ponieważ w tradycyjnych projektach statków kosmicznych typu Battlestar Galactica jedyną rzeczą o wystarczająco dużej masie, mogącą posłużyć za przeciwwagę, która pozostawałaby na uwięzi w dużej odległości od funkcjonalnej części statku, była inna, również funkcjonalna część statku. Innymi słowy, chcąc zapewnić sztuczną grawitację, musielibyśmy podzielić statek na dwie części: jedną, w której przebywa załoga i drugą, zawierającą dużą część zapasów i paliwa rakietowego. Być może konfiguracja taka prezentuje się nieźle na rysunku, lecz w praktyce byłoby to kuszenie losu. Jeśli uwięź zapętliłaby się podczas wciągania, tracimy bezpowrotnie poważną część sprzętu i zapasów o kluczowym znaczeniu dla powodzenia misji, na przykład paliwo potrzebne do powrotu na Ziemię, w wyniku czego wyprawę czeka katastrofa. W planie Mars Direct nie napotykamy takich problemów, gdyż załoga nie podróżuje w wielkim międzyplanetarnym statku Battlestar Galactica, lecz w stosunkowo lekkim module mieszkalnym, który może zostać zrównoważony znajdującym się na przeciwnym końcu uwięzi wypalonym górnym stopniem rakiety nośnej, która skierowała statek w kierunku Marsa (rys. 5.2). Dzięki temu przedmiot na uwięzi nie ma fundamentalnego znaczenia dla misji - to po prostu odpad, którego po dotarciu do celu podróży nie ma po co wciągać z powrotem. Podczas lotu powrotnego podobnie: konstrukcja z uwięzionym górnym, zużytym stopniem napędowym statku

178 • CZAS MARSA

powrotnego (ERY) służy za przeciwwagę dla kabiny załogi w ERY. W ten sposób załoga misji marsjańskiej nie musi przebywać w warunkach zerowej grawitacji poza paroma krótkimi okresami: tuż przed wejściem na trajektorię rejsową Ziemia--Mars oraz Mars-Ziemia, tuż przed wejściem w atmosferę Marsa i w atmosferę Ziemi oraz tuż po wejściu na orbitę wokół Marsa.

ramię obrotu

środek ciężkości

Rys. 5.2. Układ sztucznej grawitacji z uwięzia wymaga użycia dwóch przedmiotów, obracających się wokół wspólnego środka ciężkości. W planie Mars Direct przeciwwagę dla modułu mieszkalnego (po prawej stronie rysunku) stanowi zużyty górny stopień rakiety nośnej (po lewej stronie).

Uwięź trzeba wykonać z bardzo wytrzymałego kabla wielożyłowego z siecią równoległych, wewnętrznych połączeń. Kabel ten musi pozostać nienaruszony nawet wówczas, gdy niektóre żyły w wielu miejscach zostaną przecięte przez mikrometeoryty lub inne kosmiczne szczątki. Takie „bezawaryjne" uwięzi zostały zaprojektowane i zademonstrowane przez Roberta For-warda i Boba Hoyta, inżynierów kosmicznych. Nie należy przy tym wykorzystywać uwięzi jako kabla do przesyłania większych ilości energii elektrycznej. Misja promu kosmicznego z satelitą na uwięzi w lutym 1996 roku się nie powiodła, gdyż przepięcie w układzie energetycznym, wykorzystującym uwięź do przesyłania wielu kilowatów, spowodowało stopienie się i zerwanie uwięzi.

Pytano mnie, w jaki sposób obracający się statek kosmiczny może wykonywać konieczne manewry, na przykład śród-kursowe korekty AV sięgające 20 m/s, typowe podczas podróży międzyplanetarnych. Wcale nie będzie to trudne, gdyż obracające się statki kosmiczne wykonywały już podobne manewry. Sondy międzyplanetarne Pioneer Yenus Orbiter i Pioneer Yenus Próbę Carrier obracały się podczas lotu na Wenus

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 179

po dokładnie zaplanowanych torach. W trakcie rejsu parokrotnie precyzyjnie uruchamiano rakietowe silniki sterujące, by skorygować AV w pożądanym kierunku.

Zestaw uwięzi, stosowany podczas lotu według projektu Mars Direct, umożliwiałby podobne manewry. Jeśli chcemy na przykład uzyskać AV w dowolnym kierunku w płaszczyźnie obrotu statku, trzeba kilkakrotnie odpalić silniki sterujące wzdłuż linii uwięzi w momencie, gdy wskazuje ona w pożądanym kierunku. Ponieważ uwięź jest napięta, odpalenie silników sterujących, popychające moduł mieszkalny ku przeciwwadze - wypalonemu górnemu stopniowi rakiety nośnej -zmniejsza naprężenie uwięzi. Uwięź pozostanie naprężona dopóki pchnięcie, spowodowane odpaleniem silnika sterującego, nie przewyższy siły odśrodkowej; spełnienie tego warunku nie nastręcza trudności. Statek wraz z uwięzia obraca się w stałej płaszczyźnie, więc manewry w tej płaszczyźnie sprowadzają się do dokładnego wyznaczenia momentu uruchomienia rakietowych silników sterujących. Z kolei manewry w innych płaszczyznach są realizowane przez ciągłe, lecz bardzo słabe działanie silników sterujących prostopadle do płaszczyzny obrotu.

Statek wiozący ludzi na Marsa będzie miał tyle energii elektrycznej (co najmniej kilkanaście kilowatów), że można wykorzystywać antenę bezkierunkową do komunikacji z Ziemią, przesyłania głosu oraz najważniejszych danych telemetrycznych dotyczących lotu. Z tego powodu antena kierunkowa, śledząca Ziemię w trakcie rotacji statku, a używana do szybkiej transmisji obrazów i danych, nie ma kluczowego znaczenia dla powodzenia misji. Jeśli płaszczyzna obrotu statku jest zawsze skierowana prostopadle do Słońca, to produkujące energię baterie słoneczne nie wymagają aktywnej kontroli położenia. Dysponujemy optycznymi czujnikami nawigacyjnymi, które doskonale się sprawdzają przy tempie wirowania statku znacznie przewyższającym 6 obrotów na minutę; można je więc zamontować na module mieszkalnym. Innymi słowy, na statku kosmicznym z uwięzia żadne z tych urządzeń nie wymaga - by poprawnie działać - niezależnej platformy kompensującej rotację statku.

180 • CZAS MARSA

Na statku misji Mars Direct wykorzystanie sztucznej siły ciążenia jest rozwiązaniem pragmatycznym i korzystnym, gdyż pozwala zabić smoka zerowej grawitacji. Parę lat temu zadałem przedstawicielowi NASA (zwolennikowi zaplanowanych na kilkadziesiąt lat badań wpływu stanu nieważkości na ludzkie zdrowie przed rozpoczęciem realizacji załogowych wypraw na Czerwoną Planetę) następujące pytanie: dlaczego po prostu nie zastosować sztucznej grawitacji? W odpowiedzi usłyszałem: nie możemy tego zrobić, bo wtedy wszystkie dane będą przemawiać za stosowaniem sztucznej grawitacji. Ciekawa odpowiedź.

Czynnik ludzki

Jeden z najdziwaczniejszych smoków, wyobrażonych przez kartografów podróży na Czerwoną Planetę to „czynnik ludzki". Niektórzy przekonują, że problemy psychologiczne, wiążące się z załogową wyprawą z Ziemi na Marsa i z powrotem, są jedyne w swoim rodzaju i stanowią poważną przeszkodę w realizacji zamierzeń. Dlatego, ich zdaniem, trzeba by wykorzystać albo bardzo szybkie statki kosmiczne, skracając czas podróży w obie strony do paru tygodni, albo bardzo duże i luksusowe wehikuły kosmiczne, mieszczące liczniejszą załogę w większej przestrzeni życiowej; jeśli natomiast nie poczyniono by ustępstw na rzecz współczesnego amerykańskiego podmiejskiego stylu życia, załoga „zwariowałaby". Niestety, na razie nie dysponujemy ani ekspresowymi statkami kosmicznymi, ani też międzyplanetarnymi rakietami klasy wycieczkowej, a więc osoby zatroskane o los astronautów radzą odłożyć misję, dopóki nie zostaną przeprowadzone kosztowne badania psychologiczne nad problemem czynnika ludzkiego. (Znów słyszymy znaną kwestię chóru: „och, nie możecie polecieć na Marsa, dopóki nie dostaniemy forsy...")

Zastanówmy się nad tym problemem. W proponowanej przez nas wyprawie na Marsa czteroosobowa załoga spędzi w trakcie rejsu Ziemia-Mars sześć miesięcy w przestrzeni dwupoziomowego modułu mieszkalnego, obejmującego prywatny

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 181

pokój każdego astronauty oraz pewne pomieszczenia wspólne. (Możliwe są spacery w przestrzeni kosmicznej, szczególnie podczas rejsu w warunkach zerowej grawitacji, ale odłóżmy to na razie na bok). Całkowita powierzchnia modułu mieszkalnego wynosi około 101 m2, raczej niewiele jak na czteroosobowe mieszkanie według amerykańskich standardów, lecz zarazem więcej niż przypada na średnio zamożnego mieszkańca Tokio. Po zakończeniu trwającej sześć miesięcy podróży z Ziemi na Marsa załoga w module mieszkalnym ląduje na Czerwonej Planecie i przebywa tam przez półtora roku, mając do dyspozycji dodatkową przestrzeń mieszkalną w postaci kabiny statku powrotnego i kabiny ciśnieniowego rovera. W dodatku podczas pobytu na powierzchni Marsa załoga będzie zmuszona spędzać sporo czasu poza modułem mieszkalnym, prowadząc liczne badania. Podczas ostatnich sześciu miesięcy wyprawy - powrotu na Ziemię - załoga zajmie kabinę statku powrotnego, która ma powierzchnię równą w przybliżeniu połowie powierzchni modułu mieszkalnego. Z powodu opóźnienia w przekazywaniu sygnałów radiowych w trakcie całej wyprawy nie będzie można prowadzić normalnych rozmów telefonicznych z Ziemią, natomiast przesyłane będą wiadomości z zapisem głosu, tekstu i nieruchomymi obrazami wideo. Na odpowiedź trzeba będzie czekać od paru sekund (na początku wyprawy) do kilkudziesięciu minut (na Marsie).

Oczywiście, opisywane plany nakładają na członków załogi rygor psychiczny, nie znany na co dzień większości ludzi, zwłaszcza cywilom. Porównajmy go jednak ze stresami, które wielu zwykłych ludzi zdołało pokonać.

Kosmiczni psychiatrzy dużo mówią o urazach, jakich mogą doznać członkowie załogi misji marsjańskiej, zmuszeni do „przebywania poza domem przez trzy lata". Podczas drugiej wojny światowej mój ojciec, wujowie oraz parę milionów innych żołnierzy musiało „przebywać poza domem przez trzy lata" w warunkach znacznie cięższych niż marsjańskie (ziemianka na plaży Anzio była miejscem o wiele bardziej stresującym niż moduł mieszkalny na powierzchni Czerwonej Planety). Żołnierze frontowi nie tylko byli stale narażeni na śmierć,

182 • CZAS MARSA

lecz musieli też wykonywać ciężką pracę za marny żołd, znosić chłody, upały, robactwo, choroby, inwazję wszy, wstrętne racje żywnościowe, spanie na zimnej, wilgotnej ziemi, w śniegu i w deszczu, czasami przez całe miesiące. Na dodatek, znaczną większość stanowili żołnierze z poboru, narażeni na bezustanną, brutalną i obraźliwą agresję ze strony egzekutorów wojskowej dyscypliny, traktowani jak śmieci przez oficerów, żyjących w przeświadczeniu o własnej wyższości. W przeciwieństwie do warunków wojennych, na Marsie załoga może być narażona na niebezpieczeństwa, ale nie ze strony wojska i całej morderczej machiny wojennej.

Astronauci na Marsie nie będą zmuszeni do ciężkiej pracy fizycznej. Program nie przewiduje insektów, wszy i chorób. Pożywienie będzie dobre, załoga zostanie wyposażona w suche ubrania i ciepłe, wygodne łóżka. Podczas międzyplanetarnego rejsu członkowie załogi zaznają być może nudy, znanej i żołnierzom, ale pomoże się z nią uporać duży pokładowy zapas książek, gier, przedmiotów pomocnych w rozmaitych rozrywkach i rozwijaniu zainteresowań; pomoże także świadomość, że po powrocie na Ziemię czekają na nich fortuny. Porównując los astronautów z życiem żołnierzy na froncie dochodzimy do wniosku, że nie sposób przecenić znaczenia pozytywnego efektu - towarzyszącej astronautom świadomości, że na Ziemi czeka ich wspaniała przyszłość i że dla milionów ludzi staną się bohaterami. Podczas wojny standardowym sposobem komunikacji żołnierzy z rodzinami była poczta, a czas oczekiwania na odpowiedź sięgał wielu tygodni. Dlatego nie sądzę, by u członków załogi perspektywa czterdziestominutowego oczekiwania na odpowiedź od swoich bliskich wywoływała łzy.

Twierdzę, że abstrahując od współczesnego amerykańskiego wygodnego stylu życia i odwołując się do historii, wszędzie widzimy ludzi - takich jak żołnierze na linii frontu, ukrywający się uchodźcy, więźniowie, członkowie załóg łodzi podwodnych, badacze, traperzy lub dawni kupcy, podróżujący po morzach -którzy, znalazłszy się w tych sytuacjach często przypadkiem, znosili długotrwałe przebywanie w warunkach odosobnienia, deprywacji i stresu psychicznego wielokroć gorszych od tego,

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 183

co czeka starannie dobraną załogę wyprawy na Marsa. Ludzie muszą być twardzi, ponieważ nie mają wyboru. Przetrwaliśmy tygrysy szablozębne, epokę lodowcową, despotyczne imperia i najazdy barbarzyńców, straszne okresy głodu oraz wiele innych klęsk żywiołowych. Nasi przodkowie musieli stawić czoło tym sytuacjom i przetrwać. Z pewnością starannie dobrani i dokładnie wyszkoleni członkowie załogi misji marsjańskiej także dadzą sobie radę.

To nie ludzka psychika będzie najsłabszym ogniwem załogowej wyprawy na Marsa. Wręcz przeciwnie, może się ona okazać ogniwem najsilniejszym.

Burze pyłowe

Czwarty smok, marsjańskie burze pyłowe, jest najstarszy i dlatego zdążył już stracić część zębów, przede wszystkim z tego powodu, że osobom mogącym odnieść największe korzyści z jego istnienia, czyli naukowcom, zajmującym się badaniem atmosfery Marsa, brakuje zdrowego instynktu handlowego, spotykanego u innych krytyków. Burze pyłowe są jednak niepokojące. Na dodatek akurat ten smok powstał raczej w wyniku wyolbrzymienia niż zmyślenia. Przyjrzyjmy mu się przez chwilę.

Już w XIX wieku na podstawie obserwacji teleskopowych powzięto podejrzenie, że na Czerwonej Planecie występują silne burze pyłowe. Hipotezę potwierdziły amerykańskie i rosyjskie sondy kosmiczne, prowadzące badania Marsa od lat sześćdziesiątych. Orbita Marsa jest eliptyczna, więc gdy na jego południowej półkuli jest lato, znajduje się on o 9% bliżej Słońca niż wynosi średnia odległość, natomiast gdy panuje tam zima, znajduje się on o 9% dalej od Słońca niż przeciętnie. Połączenie zwyczajnego letniego ocieplenia oraz dodatkowego ciepła, uzyskanego dzięki przebywaniu bliżej Słońca, powoduje, że na południowej półkuli dochodzi do skrajnych wahań temperatury (podczas gdy półkula północna ma łagodne pory roku). Podczas szczególnie chłodnych zim na półkuli południc-

184 • CZAS MARSA

wej duże ilości dwutlenku węgla wytrącają się z atmosfery na lodowej czapie bieguna południowego (składającej się z suchego lodu) i adsorbują w antarktyczny regolit (rumosz skalny). Dodatkowa warstwa zamrożonego ł adsorbowanego dwutlenku węgla jest następnie z powrotem uwalniana do atmosfery, gdy silne ocieplenie, związane z nadejściem lata na półkuli południowej, dociera do okolic bieguna południowego. Nagłe wprowadzenie gazu do atmosfery Marsa jest na tyle znaczące, że powoduje wzrost ciśnienia atmosferycznego o około 12% w ciągu paru miesięcy (pełna różnica wartości ciśnienia atmosferycznego pomiędzy zimą a latem wynosi prawie dwa razy tyle), co skutkuje powstawaniem potężnych wiatrów, unoszących duże ilości pyłu. Burze pyłowe tego typu rozpoczynają się z nadejściem lata na południowej półkuli, następnie przesuwają się na północ, a czasem się zdarza, że pokrywają całą planetę. Zgodnie z pomiarami prędkość wiatru podczas burz pyłowych wynosi 50-100 km/h. Burze, które czasami powtarzają się latem na półkuli południowej, stopniowo cichną wraz z nadejściem jesieni. Podobnie jak na Ziemi, marsjańska pogoda również zawiera element przypadkowości - w niektórych latach burze niemal nie występują, kiedy indziej zaś obejmują Czerwoną Planetę bez wyjątku przez całe lato. Z reguły na półkuli północnej można spodziewać się przejrzystego nieba podczas wiosny, lata i jesieni. Zapoznajmy się teraz z dość nieprzyjemną historią. Gdy w listopadzie 1971 roku amerykański ładownik Mariner 9 oraz rosyjskie sondy Mars 2 i Mars 3 docierały na Marsa, nadchodziła właśnie globalna burza pyłowa. Przez cztery miesiące powierzchnia planety była całkowicie przesłonięta pyłem i Mariner 9 nie mógł nic zobaczyć. Sytuacja nie zakłóciła zbytnio programu lotu: sonda spokojnie czekała na orbicie, aż pogoda się poprawi. Gdy to się stało, Mariner zaczai przekazywać dokładne obrazy całego globu. Inaczej potoczyły się losy radzieckich sond, które zostały z góry zaprogramowane - bez możliwości wprowadzenia modyfikacji - na lądowanie niedaleko równoleżnika 45° południowej szerokości geograficznej. Sondy, posłuszne rozkazom, spuściły się na spadochronach w sam środek szalejącej burzy. Obie uległy zniszczeniu.

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 185

Lądowanie na spadochronie podczas marsjańskiej burzy pyłowej z pewnością nie jest dobrym pomysłem. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja, gdy już się jest na powierzchni planety. Gęstość atmosfery na Marsie wynosi zaledwie 1% gęstości atmosfery ziemskiej, a więc ciśnienie dynamiczne, wytwarzane przez marsjański wiatr, który wieje z prędkością 100 km/h, odpowiada ziemskiemu lekkiemu wiatrowi o prędkości 10 km/h. Ładowniki Yiking l i Yiking 2, choć zaprojektowane na 90 dni funkcjonowania, działały przez, odpowiednio, 6 i 4 lata. W tym czasie przetrwały wiele burz pyłowych, a mimo to nie wykryto żadnych uszkodzeń przyrządów pomiarowych. Okazało się, że choć podczas burzy planeta nie jest widoczna z orbity, widoczność na powierzchni nie zostaje poważnie ograniczona. Pył zmniejsza ilość światła, docierającego do powierzchni, podobnie jak podczas zachmurzonego dnia na Ziemi, lecz obserwator na powierzchni widzi otoczenie. Jeśli marsjańskie instalacje powierzchniowe korzystałyby z baterii słonecznych, zmniejszenie natężenia światła stanowi pewien problem. Baterie fotowoltaiczne mogą jednak przekształcać światło w energię elektryczną nawet wtedy, gdy światło jest rozproszone przez pył (tarcza Słońca nie musi być wyraźnie widoczna), więc spadek mocy nie byłby całkowity. Podczas typowej burzy pyłowej można oczekiwać spadku mocy, uzyskiwanej z baterii słonecznych, o około 50%. Wszystko powinno poprawnie funkcjonować, jeśli moduł energetyczny zostanie tak zaprojektowany, by podczas burz pyłowych dostarczać ilość energii, zapewniającą podtrzymywanie życia. Gdyby zaś w bazie znajdował się reaktor jądrowy, produkujący duże ilości energii, czy termoelektryczny generator izotopowy, lub gdyby była dostępna energia zmagazynowana w inny sposób (na przykład w postaci lokalnie wytworzonego paliwa chemicznego, które można spalać w silniku i dzięki temu napędzać generator), problem okazałby się czysto akademicki.

Wyrażano obawę, że pył osadzający się w wyniku burz może przykryć baterie słoneczne lub inne powierzchnie optyczne, na przykład okna i przyrządy. Problem ten nie wystąpił podczas

186 • CZAS MARSA

misji Yiking. Wydaje się, że po przejściu burzy pozostaje niewiele pyłu, a w przypadku załogowej wyprawy na Marsa nie stanowi to w ogóle problemu: jeśli baterie słoneczne są przykryte pyłem, wystarczy wysłać kogoś ze szczotką!

Podsumowując, burze pyłowe mogą być niebezpieczne jedynie dla obiektów poddanych dominującemu wpływowi sił aerodynamicznych (mających duże, w porównaniu do wagi, powierzchnie), takich jak balony lub ładowniki, podwieszone na spadochronach. Jeśli ładownik nie korzysta ze spadochronu, a nie przewiduje tego plan Mars Direct, nie powinno być żadnych problemów z przedarciem się przez burzę pyłową, podobnie jak samolot bez trudu przelatuje poprzez chmury. Oczywiście, większość pilotów zdecydowanie woli lądować przy pełnej widoczności, dlatego plan Mars Direct przewiduje wejście statku na orbitę okołomarsjańską przed lądowaniem w celu wyhamowania oraz oceny sytuacji. Jeśli pogoda będzie zła, załoga, wzorem Marinera 9, poczeka na orbicie na przejaśnienie. Co ciekawe, w dziesięcioleciu 2001-2010 w przypadku każdego startu możliwy jest taki wybór trajektorii z Ziemi na Marsa, by statki przybywały na Czerwoną Planetę podczas pór roku, charakteryzujących się przejrzystym niebem.

Burze pyłowe na pewno nie staną nam na drodze na Marsa.

Groźba zakażenia Ziemi

Ostatniego spośród pięciu smoków, srożących się na mapach Marsa, trudno nawet nazwać iluzorycznym; to po prostu zwykła halucynacja. A imię jego: „groźba zakażenia Ziemi".

Problem jest następujący: żaden ziemski organizm nie został, jak dotąd, wystawiony na działanie marsjańskich organizmów, a zatem człowiek nie dysponowałby żadną odpornością wobec chorób, powodowanych przez marsjańskie patogeny. Dopóki się nie upewnimy, że na Marsie nie można nabawić się chorób, nie należy narażać członków załogi na ryzyko zarażenia się jakimś groźnym zarazkiem, który z łatwością mógłby ich zabić, a gdyby nie zabił, to pewno powróciłby z załogą na

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 187

Ziemię, siejąc zniszczenie i unicestwiając gatunek ludzki, a może nawet całą ziemską biosferę.

Delikatnie mówiąc, argument ten to kompletna bzdura. Po pierwsze, jeśli są - lub kiedykolwiek były - na Marsie oraz w pobliżu jego powierzchni organizmy, to już w przeszłości mogliśmy się z nimi zetknąć. W ciągu ostatnich paru miliardów lat miliony ton materiału, pochodzącego z marsjańskiej powierzchni, odrywało się od Czerwonej Planety w wyniku uderzeń meteorów, a znaczna część marsjańskich skał, wyrzuconych w przestrzeń, trafiła na Ziemię. Naukowcy dysponują niepodważalnymi dowodami: zebrali prawie 100 kg meteorytów pewnego typu, zwanych meteorytami SNC5, i porównali zawartości procentowe izotopów pierwiastków w meteorytach z danymi na temat zawartości procentowej izotopów tych pierwiastków na powierzchni Marsa, zebranymi przez ładowniki Yiking. Zestawienie zawartości procentowych izotopów (m.in. stosunek zawartości izotopu węgla 12C do 13C, stosunek zawartości izotopu tlenu 16O do 17O itd.) stanowi, podobnie jak odciski palców w przypadku ludzi, niepodważalną cechę identyfikacyjną, dowodzącą marsjańskiego pochodzenia materiału. Pomimo że każdy z meteorytów SNC musiał krążyć w przestrzeni kosmicznej przez wiele milionów lat, zanim dotarł na Ziemię, to - zdaniem ekspertów - ani długi czas podróży, ani gwałtowne okoliczności oderwania skały od powierzchni Marsa oraz wejścia w atmosferę Ziemi i uderzenia o jej powierzchnię nie wystarczą, by wyste-rylizować tego typu obiekty, jeśli zawierałyby przetrwalniki bakterii.6 Bezustannie spada na powierzchnię Ziemi swoisty deszcz marsjańskich skał: na podstawie ilości odnalezionych meteorytów szacuje się, że rocznie około 500 kg marsjańskiego materia-

5 M. Carr: Water on Mars. Oxford University Press, Nowy Jork 1996, str. 24-29. [Polskiemu czytelnikowi można polecić lekturę rozdziału 7 książki H. Y. McSweena, Jr.: Od gwiezdnego pyłu do planet. Prószyński i S-ka, Warszawa 1996 (przyp. red.)].

6 J. Gooding: 2005 Sample Return: Martial Meteorites and Curatorial Plans, wykład na forum grupy roboczej opracowującej długofalowe strategie badań Marsa w Centrum Kosmicznym im. Johnsona, Houston, Teksas, 20 września 1995 roku.

188 • CZAS MARSA

łu skalnego trafia na Ziemię. Jeśli więc ktoś boi się zarazków z Marsa, powinien opuścić Ziemię, ponieważ leży ona na drodze wyrzutni marsjańskich głowic z bronią biologiczną. Panika jest zbędna, bo nie są one niebezpieczne. Jedyną dotychczas ofiarą marsjańskiej nawałnicy jest pies, zabity przez spadającą z Czerwonej Planety skałę w 1911 roku w El Nakhla el Baharia, w Egipcie. Statystycznie rzecz biorąc, przechodnie powinni się znacznie bardziej obawiać ugodzenia meblami, wyrzucanymi wprost na ulicę z wysokich pięter budynków.

Rzecz w tym, że obecnie na powierzchni Marsa życie niemal na pewno nie występuje. Nie ma tam (bo nie może być) wody w postaci ciekłej, ponieważ nie pozwalają na to średnie temperatury powierzchniowe i wartości ciśnienia atmosferycznego. Na dodatek, powierzchnia planety jest pokryta pyłem o właściwościach utleniających i skąpana w promieniowaniu ultrafioletowym. Właśnie nadtlenki i światło ultrafioletowe są powszechnie stosowanymi na Ziemi metodami sterylizacji. O nie, jeśli nawet na Marsie istnieje życie, z pewnością egzystuje ukryte w wyjątkowych warunkach, na przykład w podpo-wierzchniowym zbiorniku, podgrzewanym geotermicznie.

Czy takie formy życia - jeśli astronautom udałoby się je odnaleźć - mogłyby stanowić zagrożenie? Absolutnie nie. ponieważ organizmy chorobotwórcze są specyficznie dopasowane do swoich żywicieli. Są, jak wszystkie organizmy, rezultatem adaptacji do życia w konkretnym środowisku. Dla organizmów wywołujących choroby u ludzi środowiskiem jest wnętrze organizmu człowieka lub blisko spokrewnionego gatunku, na przykład innego ssaka. Nieprzerwana wojna między ludzkimi pato-genami, stale uciekającymi się do nowych broni, a układem immunologicznym, wykształconym przez naszych przodków, trwa od milionów lat. Atak organizmu, który nie wyewoluował specjalnie po to, by przełamać nasze linie obronne i przeżyć w mikrokosmosie ludzkiego organizmu, strefie bezpardonowej walki, nie ma szans. Z tego powodu ludzie nie zapadają na choroby wiązów holenderskich, a drzewa z kolei się nie prze-ziębiają. Każdy marsjański organizm byłby przypuszczalnie znacznie dalej spokrewniony z człowiekiem niż na przykład

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 189

wiąz. Nie ma żadnych dowodów na występowanie na Marsie makroskopowej fauny i flory, wydaje się to zresztą niemożliwe, a bez lokalnych żywicieli nie mogą istnieć marsjańskie patoge-ny. Gdyby nawet istnieli na Marsie żywiciele, ogromne różnice genetyczne, dzielące ich od organizmów ziemskich, wykluczałyby przypadek występowania wspólnych chorób. Równie absurdalny jest pomysł, że marsjańskie drobnoustroje przybywają na Ziemię i w otwartym środowisku zaczynają konkurować z ziemskimi mikroorganizmami. Utrzymywać, że marsjańskie organizmy mogłyby lepiej sobie radzić w środowisku naszej planety niż ziemskie (lub że ziemskie gatunki drobnoustrojów mogłyby na Czerwonej Planecie pokonać marsjańskie) jest równie niemądrze, jak przypuszczać, że rekiny, przewiezione na afrykańskie równiny, odebrałyby lwom pozycję najgroźniejszych drapieżników w lokalnym ekosystemie.

Jak widać, sporo uwagi - być może zbyt wiele - poświęcam odparciu idei zatrucia Ziemi przez marsjańskie organizmy. Wynika to stąd, że podczas niedawnego spotkania w NASA, poświęconego planowaniu najbliższej (automatycznej) misji, która miałaby się zakończyć przywiezieniem na Ziemię próbek z Marsa, ktoś poważnie zaproponował, by, w celu uspokojenia obaw społeczeństwa, wysterylizować w bardzo wysokiej temperaturze wszelkie próbki przywiezione z Marsa przed dostarczeniem ich na Ziemię. Najbardziej wartościowym, choć bardzo mało prawdopodobnym, skarbem odnalezionym na Marsie, który mógłby trafić na naszą planetę, byłyby marsjańskie formy życia. A osoby uczestniczące we wspomnianym spotkaniu od razu by je zniszczyły (wraz z innymi ważnymi mineralogicznymi informacjami, zapisanymi w próbce). Propozycja była tak groteskowa, że odpierając ją, zapytałem zgromadzonych naukowców: czy, gdyby znaleźli zdolne do rozwoju jajo dinozaura, ugotowaliby je? Pytanie nie było pozbawione sensu, ponieważ dinozaury, dość blisko spokrewnione z ludźmi, cierpiały na różne choroby. Podczas kopania każda łopata ziemi i mułu zawiera zarazki wielu dawnych chorób, szkodliwych dla ziemskiej biosfery, a mimo to paleontolodzy nie odkażają swoich znalezisk.

190 • CZAS MARSA

Podobnie jak zdolne do rozwoju jajo dinozaura byłoby dla biologii wartościowym eksponatem, a nie zagrożeniem, próbka zawierająca marsjańskie organizmy stanowiłaby bezcenne znalezisko, naprawdę zupełnie niegroźne. Badając przedstawicieli marsjańskiego życia, mielibyśmy szansę zrozumieć, które cechy życia są indywidualne, specyficzne dla niektórych tylko gatunków, a które są cechami ogólnymi, obecnymi u wszystkich form. Moglibyśmy dowiedzieć się czegoś na temat podstaw zjawiska zwanego życiem. Wiedza taka pozwoliłaby dokonać niesamowitych postępów w dziedzinie inżynierii genetycznej, rolnictwa i medycyny. Z pewnością nikt nigdy nie umrze na jakąkolwiek chorobę przywłeczoną z Czerwonej Planety, niewykluczone jednak, iż dziś tysiące ludzi umierają z powodu ziemskich dolegliwości, na które lek znalazłby się, być może, dzięki możliwości zbadania marsjańskich form życia.

Księżycowa syrena: dlaczego do lotu na Marsa nie są potrzebne bazy na Księżycu

Zajmijmy się teraz całkowicie odmiennym, również mitycznym stworem, utrudniającym lot na Marsa. To nie potwór, groźny i budzący lęk smok, lecz piękna, powabna kobieta. Diana jest księżycową syreną, której uwodzicielski śpiew wyrządził planowanej wyprawie na Marsa tyle szkód, co pięć pozostałych smoków razem wziętych.

Wyznawcy Diany z prawdziwie religijną wiarą twierdzą, że nie wolno ludziom wyruszyć na Marsa, dopóki nie obłaskawimy bogini, budując na powierzchni Księżyca wiele świątyń, zwanych bazami. Całkiem chwalebny motyw, jak na pogańską religię, ukazujący, jak daleko zaszliśmy od czasów Cesarstwa Rzymskiego, lecz - co najważniejsze - pozbawiony rozumnego wytłumaczenia.

Z powodu słabej grawitacji i braku atmosfery z powierzchni Księżyca istotnie łatwiej jest niż z Ziemi wysłać rakietę na Marsa. Co więcej, księżycowe skały w prawie 50% (wagowo) składają się z tlenu, więc dzięki opracowaniu technologii, pozwala-

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 191

jących rozbić na pierwiastki tlenki żelaza i krzemu, które stanowią większość księżycowego materiału powierzchniowego, moglibyśmy uzyskać nieprzebrane zapasy ciekłego tlenu, nadającego się do wykorzystania podczas napełniania na powierzchni Księżyca zbiorników statków kosmicznych. Niestety, na Księżycu brak paliwa, na przykład wodoru lub metanu, które można by w tym tlenie spalać. Niemniej, przynajmniej teoretycznie, Księżyc mógłby stać się bazą, wspomagającą podróże kosmiczne od strony logistycznej, gdyż zawartość tlenu w rozmaitych rakietowych mieszaninach napędowych jest wysoka: wynosi 72-86% (wagowo).

Analiza ta nie uwzględnia faktów o podstawowym znaczeniu dla transportu wewnątrz Układu Słonecznego. Zanim statek zatankuje na Księżycu, musi tam dolecieć. Aby z niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) dostać się na powierzchnię Księżyca, potrzeba prędkości AV równej 6 km/s (3,2 km/s, by umieścić statek na trajektorii rejsowej na Księżyc; 0,9 km/s, by wskoczyć na niską orbitę wokół Księżyca; 1,9 km/s, by wylądować na pozbawionym powietrza satelicie). Natomiast AV konieczna do startu z LEO na powierzchnię Czerwonej Planety wynosi tylko 4,5 km/s (4 km/s, by umieścić statek na trajektorii rejsowej Ziemia-Mars; 0,1 km/s, by dokonać korekty po wejściu na orbitę; 0,4 km/s na lądowanie po zastosowaniu do hamowania aerodynamicznego osłony aerodynamicznej zamiast spadochronów). Krótko mówiąc, z technicznego punktu widzenia łatwiej jest polecieć z LEO bezpośrednio na Marsa, niż z LEO na powierzchnię Księżyca. A zatem, nawet gdyby na Księżycu czekały w zbiornikach gotowe do użycia nieskończone ilości paliwa rakietowego i tlenu (a tak wcale nie jest), nie miałoby sensu wysyłanie rakiety na Srebrny Glob, by zatankować przed podróżą na Marsa. Byłoby to równie wygodne i sensowne, jak skierowanie samolotu, lecącego z Houston do San Francisco, do Saskatoon w Kanadzie, by tam zatankował paliwo. Założenie na Księżycu węzłowego punktu uzupełniania zapasów paliwa niewiele zmieni: aby z LEO wejść na orbitę księżycową, musimy zapewnić prawie tak dużą AV, jak w przypadku startu z LEO na Marsa. Gdy weźmiemy pod uwagę po-

192 • CZAS MARSA

trzebę przewozu materiałów oraz wyposażenia do produkcji tlenu na Księżycu i konieczność przetransportowania na księżycową orbitę dużych ilości paliwa (na powierzchnię Księżyca trzeba by dostarczać wodór lub metan), prędko spostrzeżemy, że proponowany schemat byłby koszmarem logistycznym i spowodowałby spory wzrost kosztów, stopnia złożoności i ryzyka, związanego z załogową wyprawą na Marsa.

Księżyc nie będzie więc wygodną bazą na drodze prowadzącej ku Marsowi. Wyznawcy bogini Diany odpowiadają na to, że mimo wszystko Księżyc trzeba wykorzystać do przeprowadzania prób oraz jako punkt szkoleniowy w ramach programu marsj ańskiego.

Otóż warunki panujące na Księżycu są tak odmienne od warunków marsjańskich, że jako miejsce ćwiczeń załogi równie dobrze - a kosztowałoby to znacznie mniej - nadawałaby się Antarktyda. Mars ma atmosferę, doba trwa mniej więcej 24 godziny, a dzienne temperatury na powierzchni wahają się pomiędzy -50°C a +10°C. Księżyc nie ma atmosfery, doba trwa 672 godziny, a przeciętna temperatura na powierzchni wynosi w ciągu dnia +100°C. Grawitacja ziemska jest 2,6 rażą silniejsza od marsjańskiej, która z kolei jest 2,4 rażą większa od grawitacji na Księżycu. Planowana eksploatacja lokalnych zasobów na Marsie (wykorzystanie dwutlenku węgla z atmosfery w gazowych reaktorach chemicznych oraz wydobywanie wiecznej zmarzliny z gleby) ma zupełnie inny charakter niż eksploatacja Księżyca, polegająca na stapianiu skał w wysokich temperaturach. Na podstawie skomplikowanej hydrologicznej i wulkanicznej historii Czerwonej Planety wnosimy, że geologiczne dzieje Marsa bardziej przypominają geologię ziemską niż księżycową.

Srebrny Glob może oczywiście być przydatny, przede wszystkim jako doskonałe miejsce prowadzenia obserwacji astronomicznych z wykorzystaniem skoordynowanej sieci teleskopów optycznych, przekazujących panoramiczne obrazy Wszechświata o bardzo wysokiej rozdzielczości (interferometr optyczny). Rozsądek każe zadbać, by sprzęt misji marsjańskiej został zaprojektowany również z myślą o transporcie ludzi

JAK POKONAĆ SMOKI l OMINĄĆ SYRENY • 193

i sprzętu na Księżyc. Plan Mars Direct uwzględnia ten wymóg. Księżycowe wyposażenie, związane z misją Apollo, zaprojektowano tak, że później było użyteczne przy budowie stacji kosmicznej Skylab', podobnie możliwość swobodnego zakładania na Księżycu obserwatoriów astronomicznych jest dodatkową korzyścią, osiągniętą dzięki realizacji planu Mars Direct.

Przede wszystkim jednak warto i należy pamiętać o tym, że bazy księżycowe nie są ani konieczne, ani wskazane jako etap realizacji programu załogowej wyprawy na Marsa. Z całym szacunkiem dla Księżyca, podróż na Marsa przez Księżyc okazałaby się równie fatalna jak podążanie za śpiewem syren. Świętej pamięci Thomas O. Palne, dyrektor NASA, zdawał sobie doskonale sprawę z tej pułapki. W jednym z ostatnich wygłoszonych przemówień powiedział: „Rzecz się ma tak, jak ze zwycięską strategią Napoleona. Tłumacząc swą strategię podczas wojny z Austrią, rzekł: »Jeśli chcesz zdobyć Wiedeń, idź na Wiedeń!« Cóż, jeśli chcemy dostać się na Marsa, trzeba wyruszyć na Marsa!"

Dobrze powiedziane, Tom. W drogę!

ROZDZIAŁ 6

ODKRYWANIE MARSA

Celem misji na Marsa nie jest ustanowienie kolejnego rekordu wysokości na potrzeby Almanachu Lotniczego, lecz zbadanie planety, wyjaśnienie, czy kiedykolwiek istniało na niej życie i czy może stać się ona domem przyszłych ludzkich pokoleń. Zadania tego nigdy nie wykonają sondy automatyczne, niezależnie od stopnia ich złożoności. Nie wystarczy też wysłać na Marsa załogę na krótki okres, ograniczając zarazem swobodę jej poruszania po powierzchni planety do okolicy bazy. Aby dowiedzieć się czegoś o planecie, trzeba poznać wiele miejsc, ruszyć w podróż na całego.

Powierzchnia Czerwonej Planety liczy 144 miliony km2, czyli dużo więcej niż wszystkie lądy na Ziemi (łącznie z wyspami). Powierzchnia Marsa jest bardzo urozmaicona: występują tam m.in. kaniony, rozpadliny, góry, wyschłe koryta rzek i jezior, równiny wylewowe, kratery, wulkany, pola lodowe, pola suchego lodu oraz chaotycznie ukształtowane tereny. U.S. Geologi-cal Survey (Amerykański Urząd Geologiczny) wyróżnia obecnie 31 geologicznie odmiennych typów ukształtowania powierzchni na opracowanej „uproszczonej mapie geologicznej" Marsa, a przecież dopiero teraz zaczynamy uzyskiwać obrazy Czerwonej Planety o wysokiej rozdzielczości. Niektóre marsjańskie utwory powierzchniowe mają rozmiary kontynentów, jak na

196 • CZAS MARSA

przykład Yalles Marineris długości 3000 km, więc dadzą się wszechstronnie poznać jedynie po pokonaniu ogromnych odległości.

Suche koryta rzeczne, odkryte na Marsie przez Marinera 9, dowodzą, że niegdyś panował na planecie ciepły, wilgotny klimat, umożliwiający powstanie życia. Marsjańska atmosfera, składająca się z dwutlenku węgla, była dawniej znacznie grubsza i szczelnie otulała planetę, powodując bardzo silny efekt cieplarniany. Wenus jeszcze dziś ma grubą atmosferę z dwutlenku węgla, lecz zamieniła ona planetę w piekło. Na Marsie jednak, bardziej oddalonym od Słońca niż Wenus, efekt cieplarniany, powodowany przez grubą atmosferę, zawierającą dużo dwutlenku węgla, jest potrzebny, by zapewnić temperaturę odpowiednią dla rozwoju życia. Większość naukowców zajmujących się Marsem uważa, że warunki sprzyjające powstaniu życia utrzymywały się na Marsie przez okres znacznie dłuższy niż czas, w jakim życie narodziło się na Ziemi. Współczesne teorie powstania życia traktują pojawienie się życia jako naturalną konsekwencję postępującej samoorganizacji materii, konsekwencję nieuniknioną we właściwych warunkach fizycznych i chemicznych. Zgodnie z tymi teoriami na Czerwonym Globie powinno było powstać życie, ponieważ w przeszłości na Ziemi i na Marsie przez okres wystarczający, by na naszej planecie pojawiło się życie, panowały zbliżone warunki. Wraz z upływem czasu Mars tracił charakter cieplarni: stał się lodowatym, jałowym światem, takim jaki znamy dziś. Pogorszenie marsjańskie-go klimatu niewątpliwie spowodowało zniknięcie życia z powierzchni planety, a być może nawet jego zupełne wymarcie. Organizmy mikroskopowe czasem pozostawiają jednak makroskopowe skamieniałości. Na Ziemi odnaleziono skamieniałości, zwane stromatolitami, mające 3,7 miliarda lat; w tak zamierzchłej przeszłości na Marsie panował klimat tropikalny. Gdyby nawet życie na Marsie wymarło zupełnie, wciąż powinny znajdować się tam skamieniałości. Dziś wiemy tylko tyle, że życiu udało się wyewoluować na jednej planecie - na Ziemi. Nie umiemy powiedzieć, czy zdarza się to niesamowicie rzadko, na przykład raz na bilion przypadków, czy też stanowi nieuniknio-

ODKRYWANIE MARSA • 197

na konsekwencję zaistnienia pewnych warunków. Czasem może się zdarzyć, że właśnie jedyna dostępna próbka przypadkowo zawiera coś, co na pewno nie wystąpi w dwóch kolejnych próbkach. Gdyby na Marsie odnaleziono żywe organizmy bądź ich skamieniałości, przekonalibyśmy się, że życie występuje we Wszechświecie powszechnie.

Z tych powodów dla badaczy Marsa priorytetem będzie poszukiwanie życia - wciąż istniejącego lub skamieniałości żywych niegdyś organizmów. Rezultat będzie miał decydujące znaczenie dla rozstrzygnięcia kwestii, czy życie jest czymś wyjątkowym we Wszechświecie, czy występuje powszechnie. Wyniki misji sond Yiking dowiodły, że życie na Marsie - jeśli w ogóle występuje -jest zjawiskiem rzadkim i trudnym do odnalezienia. Ziemscy paleontolodzy wiedzą doskonale, że polowanie na skamieniałości jest czasochłonne. Wynika to stąd, że powstanie skamieniałości to zdarzenie bardzo mało prawdopodobne. Wyobraźmy sobie ciąg zdarzeń, prowadzący do utworzenia się skamieniałości. Przede wszystkim organizm musi natychmiast po śmierci zostać odizolowany od otoczenia; w przeciwnym razie uległby szybko rozpadowi lub został zmieciony przez kolegów, mających nań apetyt. Następnie nietknięty organizm musi leżeć w ukryciu przez miliony albo miliardy lat, po czym trafić na powierzchnię wtedy, gdy prowadzone są poszukiwania. (Jeśli skamieniałość znajdzie się na powierzchni znacznie wcześniej, ulegnie zniszczeniu przed odkryciem). Kilkadziesiąt milionów lat temu po równinach Ameryki Północnej wędrowały triceratopy, trochę później -ryczące bizony, a mimo to dzisiejsi turyści mają znikomą szansę napotkania na tych terenach skamieniałych szkieletów. Jeśli chcemy odnaleźć skamieniałego dinozaura albo marsjańskie stromatolity, musimy przygotować się na dalsze podróże. Gdybyśmy zaś chcieli wykazać, że skamieniałości nie występują, czekałyby nas jeszcze dłuższe podróże, ponieważ przekonywający dowód nieistnienia wymaga zbadania prawie całej powierzchni planety. Wypływa z tego prosty wniosek, dotyczący wymogu mobilności załogi na Marsie: aby zbadać Czerwoną Planetę, konieczna jest swoboda poruszania w skali planetarnej. Często zapomina się o tej prostej i ważnej kwestii.

198 • CZAS MARSA

W jaki sposób pierwsi astronauci będą poruszać się po Marsie? Zasilany z baterii księżycowy rover, wykorzystany podczas programu Apollo, miał całkowity zasięg około 20 km, więc pozwalał na wycieczki w promieniu 10 km od miejsca lądowania. Dysponując równorzędnym środkiem transportu, załoga wyprawy na Marsa zdołałaby zbadać obszar zaledwie około 300 km2, niezależnie od ilości czasu spędzonego na powierzchni planety, więc poznanie całej planety wymagałoby prawie pół miliona podobnych misji. Nawet gdyby uznano, że wystarczy zbadać jedynie pewną liczbę wybranych, godnych zainteresowania miejsc, ograniczenie swobody ruchu pojazdu stanowiłoby poważne utrudnienie i doprowadziło do istotnego wzrostu kosztów realizacji programu załogowych badań Marsa. Tabela 6.1 zawiera listę interesujących miejsc w trójkątnym obszarze Coprates, rozciągającym się wokół miejsca lądowania na 0° szerokości i 65° zachodniej długości areograficznej. Teren ten jest jednym z najpoważniejszych kandydatów na miejsce lądowania pierwszej załogowej misji na Marsa, gdyż leży blisko równika (dlatego przez cały rok utrzymuje się stosunkowo ciepła i słoneczna pogoda), na obszarze obfitującym w obiekty, nadające się na cel interesującej wycieczki.

Gdyby załoga dysponowała swobodą ruchu ograniczoną do 100 km (zasięg dziesięciokrotnie większy niż rovera misji Apollo), odwiedzenie wszystkich wymienionych interesujących miejsc wymagałoby przynajmniej 12 wypraw. Rover oddalający się od bazy o 500 km umożliwiłby dotarcie do tych 14 miejsc podczas czterech misji, przy czym obszar dostępny owym czterem misjom byłby osiem razy większy od obszaru, który pozostawałby w zasięgu 12 wypraw, dysponujących roverem o promieniu działania 100 km.

Każda misja na Marsa będzie kosztować parę miliardów dolarów. Zastosowanie takich technologii, jak termiczny napęd jądrowy lub tańsze rakiety nośne, obniżyłoby koszty wyprawy. Trzeba gorąco zachęcać do prowadzenia badań w tych kierunkach, nie wolno jednak zapominać, że na opracowanie i wprowadzenie każdej takiej technologii również trzeba będzie wydać parę miliardów dolarów, a doprowadzi to do obniżenia kosztów

ODKRYWANIE MARSA • 199

TAB. 6.1. Interesujące obiekty na powierzchni Marsa.

OBIEKT ODLEGŁOŚĆ OD BAZY (W KM) KIERUNEK

Ophir Chasma <300 południowo-zachodni

Juventae Chasma zbocza i podłoże skalne <300 <300 południowo-zachodni południowy

płaskowyż zryty kraterami <300 wschodni

teren chaotycznie ukształtowany <300 wschodni

zdegradowany materiał kraterowy <300 południowy

Hebes Chasma 600 zachodni

środek Lunae Planum 650 północny

północne równiny 1 200 północno-zachodni

Kasei Yallis 1 300 północny

miejsce lądowania Yikinga 1 1 400 północno-wschodni

niecka

prehistorycznego jeziora 1 500 północno-wschodni

wypływy wulkaniczne 2000 zachodni

Pavonis Mons 2 500 zachodni

wypraw na Marsa tylko o mniej więcej połowę. Natomiast zwiększenie swobody poruszania po powierzchni planety może potencjalnie spowodować aż stukrotny, lub jeszcze większy, wzrost skuteczności i efektywności misji.

Zaczynamy rozumieć, że podczas oceny stopnia efektywności i oszczędności projektu załogowych badań Marsa największe znaczenie należy przypisać możliwości swobodnego podróżowania załogi po powierzchni planety.

Marsjańskie pojazdy

Marsjański pojazd można zbudować, wykorzystując koła, gąsienice, półgąsienice, a nawet zmotoryzowane nogi; wszystkie

200 • CZAS MARSA

te rozwiązania umożliwiają jazdę po powierzchni planety. Najważniejsza kwestia to sposób zasilania.

Dotychczas jedynym pojazdem samochodowym w przestrzeni kosmicznej był księżycowy rover misji Apollo - elektryczny pojazd otwarty napędzany przez baterie. Najnowsze baterie lito-wo-jonowe (wykorzystywane w nowoczesnych kamerach wideo), wystarczająco naładowane, by zapewniać roverowi moc przez dziesięć godzin, umożliwiają produkcję około 10 W na każdy kilogram swej masy. Zastosowanie zamiast baterii ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych, takich jak w promie kosmicznym, pozwala zwiększyć stosunek moc/masa do około 50 W/kg. Poprawa jest niewątpliwa, jednak blednie w porównaniu z technologią znacznie lepiej znaną z zastosowań domowych.

Dla silników wewnętrznego spalania stosunek moc/masa może wynieść 1000 W/kg, czyli prawie 20 razy więcej niż dla ogniw paliwowych wodór/tlen oraz 100 razy więcej niż zestaw baterii. Silniki spalinowe wytwarzają znacznie więcej mocy niż jakiekolwiek inne układy, mając znacznie mniejszą masę (z tego właśnie powodu są stosowane w większości ziemskich pojazdów); wynikają stąd ważne implikacje dla konstrukcji marsjańskiego pojazdu. Przy określonej masie systemu podtrzymywania funkcji życiowych zasięg pojazdu będzie wprost proporcjonalny do prędkości, która również wprost proporcjonalnie zależy od mocy silnika. Próba zastosowania innego systemu napędu o mocy podobnej do mocy silnika spalinowego nieodmiennie prowadzi do nadmiernego wzrostu masy układu. Wyobraźmy sobie rovera wyposażonego w generator mocy 50 kW (w przybliżeniu 65 koni mechanicznych). Silnik spalinowy musiałby mieć masę tylko 50 kg, podczas gdy zestaw ogniw paliwowych, dający tę samą moc, ważyłby mniej więcej 1000 kg. W porównaniu z pojazdem napędzanym przez ogniwa paliwowe identycznej mocy pojazd z silnikiem spalinowym może zabrać dodatkowo 950 kg wyposażenia do badań naukowych i potrzebnych materiałów, zapewniając znacznie większą trwałość, możliwości i zasięg. Pojazd z silnikiem spalinowym ma w zasadzie nieograniczoną moc, umożliwiając przeprowadzanie w oddalonych od bazy punktach eksperymentów

ODKRYWANIE MARSA • 201

naukowych, które wymagają sporych ilości energii. Na przykład członek załogi może wybrać się roverem do odległego miejsca i wygenerować 50 kW na pracę urządzenia wiertniczego, próbując dostać się do podpowierzchniowej warstwy wody na Marsie. Prędkość transmisji danych z rovera również jest proporcjonalna do mocy i może być znacznie większa, co poprawi bezpieczeństwo załogi i zwiększy ilość transmitowanych danych naukowych. Silniki spalinowe mogą także zapewnić dużą moc dla potrzeb bazy głównej lub odległego miejsca budowy (gdzie pracują buldożery itp.). Po podsumowaniu dochodzimy do wniosku, że większa wydajność silników spalinowych umożliwia większą mobilność przy mniejszych rozmiarach i wadze oraz znacznie większych możliwościach pojazdów. Fakt ten przekłada się bezpośrednio na koszty marsjańskich misji. Pojazdy z silnikami spalinowymi będą niezbędne przy podejmowaniu jakiejkolwiek poważnej działalności na Marsie.

Jest jednak pewien szkopuł. Silniki spalinowe potrzebują bardzo dużo paliwa. Ważący tonę ciśnieniowy rover terenowy zużyje na przejechanie l km mniej więcej 0,5 kg dwuskładnikowej mieszaniny napędowej metan/tlen. Potrzeba więc 400 kg paliwa, by przedsięwziąć liczącą 800 km wyprawę - ośmiodniową wycieczkę przy średniej prędkości około 100 km dziennie. Aby dobrze wykorzystać trwający 600 dni pobyt na powierzchni Marsa, należy odbyć wiele podobnych wypraw. Podróżowanie roverem przez 300 z 600 dni na Marsie wymaga 15 ton paliwa. Przywożenie z Ziemi tak ogromnego ładunku pozbawione byłoby sensu. Okazuje się, że korzystanie na powierzchni Marsa z pojazdów z silnikami spalinowymi zmusza do wytwarzania potrzebnego paliwa na Czerwonej Planecie.

Silnik spalinowy marsjańskiego pojazdu może być dowolnym współcześnie stosowanym na Ziemi silnikiem cyklicznym: silnikiem na wewnętrzne spalanie, silnikiem Diesla lub turbiną gazową. Próba spalania w silniku spalinowym czystego paliwa rakietowego, na przykład mieszaniny metan/tlen, skończy się rozgrzaniem do tak wysokiej temperatury, że pojazd nie będzie gwarantował niezawodności i długiego czasu pracy. Problem zniknie, jeśli rozcieńczymy mieszaninę napędową atmosferycz-

202 • CZAS MARSA

nym dwutlenkiem węgla, wciąganym przez wiatraczek. Dwutlenek węgla zachowuje się jak wewnętrzny bufor, obniżając temperaturę płomienia podobnie jak na Ziemi azot w powietrzu.

Stosunek energia/masa użytego paliwa ma kluczowe znaczenie dla zasięgu rovera terenowego napędzanego chemicznym silnikiem spalinowym. Teoretycznie nadaje się do tego każda dwuskładnikowa mieszanina napędowa, lecz względy logistyki transportowej każą produkować na Marsie z lokalnych zasobów przynajmniej większość zużywanego paliwa. Tabela 6.2 podaje listę potencjalnych mieszanin napędowych.

Marsjańska atmosfera w 95% składa się z dwutlenku węgla i dlatego połączenia wodór/dwutlenek węgla (H2/CO2) i hydra-zyna/dwutlenek węgla (N2H4/CO2) z tabeli 6.2 działają jak silniki zasysające powietrze, podobnie jak silniki wewnętrznego spalania i silniki odrzutowe na Ziemi. W obu przypadkach podana wartość stosunku energia/masa równa się wytworzonej energii na jednostkową masę paliwa z wyłączeniem zawartego w nim dwutlenku węgla, który jest na Marsie dostępny bez ograniczeń i nie trzeba go wozić w pojeździe. Nie ulega wątpliwości, że z punktu widzenia stosunku energia/masa silnik wykorzystujący mieszaninę wodoru i dwutlenku węgla przewyższa wszystkie inne rozważane warianty. Niestety, przechowywanie wodoru stwarza poważne trudności i zastosowanie w roverze terenowym układu na wodór wydaje się niepraktycznym rozwiązaniem. Biorąc to pod uwagę, dochodzimy do wnio-

Tab. 6.2. Dwuskładnikowe materiały napędowe, nadające się do spalania w silnikach marsjańskich pojazdów terenowych.

DWUSKŁADNIKOWE MATERIAŁY NAPĘDOWE

GĘSTOŚĆ ENEGRII W h/kg W h/litr

wodór /dwu tlenek węgla 25,833 416

hydrazyna/ dwu tlenek węgla 1,329 1,111

wodór/tlen 3,750 1,312

tlenek węgla/ tlen 1,816 2,144

metanol/tlen 2,129 2,093

metan/tlen 2,800 2,380

ODKRYWANIE MARSA • 203

sku, że najkorzystniejszy okazuje się wysoce wydajny dwuskładnikowy materiał napędowy metan/tlen. Dobrze się składa, ponieważ właśnie mieszanina metan/tlen byłaby najłatwiejsza w produkcji na Marsie. Jednocześnie najlepiej nadaje się do wykorzystania jako materiał napędowy dla rakiet startujących z powierzchni Marsa. Projekt Mars Direct przewiduje użycie mieszaniny metan/tlen jako paliwa dla statku powrotnego (ERV), dzięki czemu instalacja chemiczna do lokalnej produkcji rakietowego materiału napędowego (ISPP) może jednocześnie wytwarzać paliwo dla roverów.

Rover będzie zatem spalać mieszaninę metan/tlen, rozcieńczoną dwutlenkiem węgla. W wyniku pracy silnika powstaną odpady: dwutlenek węgla i woda. Bezwartościowy dwutlenek węgla (który w atmosferze zawsze występuje w nadmiernych ilościach) można wydalać poprzez rurę wydechową. Inaczej z wodą: wyposażenie poprawnie skonstruowanego marsjań-skiego rovera musi zawierać układ kondensatorów, odzyskujących wodę, która powstała jako produkt uboczny spalania. (Nie powinno to nastręczać trudności. W latach dwudziestych naszego wieku postępowano w ten sposób na sterowcach amerykańskiej marynarki wojennej, wykorzystując wodę jako balast). Po powrocie z wycieczki roverem skondensowana woda będzie dostarczana do bazowej jednostki chemicznej, by po dodaniu do dwutlenku węgla posłużyć do zsyntetyzowania paliwa metan/tlen. Odzyskanie 90% wody pozwoli użyć tej samej partii paliwa do rovera co najmniej dziesięciokrotnie.

A jak w roverze wygląda system podtrzymywania funkcji życiowych? Jednostka ISPP, wytwarzająca paliwo, może bez trudu i w nieograniczonych ilościach produkować na powierzchni Marsa tlen z dwutlenku węgla, stanowiącego 95% atmosfery planety. Niestety, łączna zawartość argonu i azotu w marsjań-skiej atmosferze wynosi zaledwie 4,3%, więc bardzo brakuje gazu buforowego, potrzebnego do oddychania. (Dwutlenek węgla nadaje się na gaz buforowy dla silnika, ale nie do oddychania; w stężeniu powyżej 1% jest dla człowieka trujący). W takiej sytuacji niezbędne staje się utrzymywanie w miejscach zamieszkania załogi atmosfery o najniższej dopuszczalnej

204 • CZAS MARSA

zawartości gazu buforowego. W przypadku modułu mieszkalnego na powierzchni Marsa polecam atmosferę 5 psi1 (7 części tlenu, 3 części azotu), wykorzystywaną przez astronautów NASA podczas długich pobytów na stacji Skylab w latach siedemdziesiątych .

Załogi Apollo funkcjonowały w odmiennej atmosferze, składającej się z tlenu 5 psi, bez żadnego gazu buforowego. Maksymalny czas trwania wypraw roverem jest zbliżony do czasu misji Apollo, dlatego, moim zdaniem, w roverach hermetycznych należy używać takiej właśnie atmosfery. Byłoby to rozwiązanie bardzo korzystne, ponieważ niskociśnieniowy rover nie wymaga śluzy powietrznej, może zatem być znacznie lżejszy. Aby opuścić rover (by podjąć działalność poza wehikułem, czyli EVA), astro-nauci muszą przywdziać skafandry kosmiczne, usunąć czysto tlenową atmosferę z kabiny rovera, otworzyć właz i wyjść. Brak azotu w mieszaninie powietrznej pozwala rozhermetyzować ro-ver, ponadto nieobecność azotu we krwi astronautów chroni przed chorobą kesonową. Przy objętości rovera wynoszącej 10 m3 każde rozhermetyzowanie oznacza utratę 3,3 kg tlenu. Wypompowanie, przed otwarciem zaworu, części atmosfery do sprężonych cylindrów na tlen pozwoli jeszcze bardziej zredukować straty tlenu. W każdym razie straty tlenu z łatwością będą pokrywane dzięki produkcji w jednostce chemicznej w bazie. Niskociśnieniowy rover umożliwiłby stosowanie niskociśnienio-wych kombinezonów (tlen 3,8 psi, bez gazu buforowego, podobnie jak w misji Apollo) do celów EVA; nie jest wtedy potrzebny okres kesonowania przed opuszczeniem pojazdu i podjęciem EVA. Kombinezon taki byłby najlżejszy i najbardziej elastyczny, a zatem najwygodniejszy podczas przeprowadzania doświadczeń naukowych. (Współczesne kombinezony, używane na promie kosmicznym, to w istocie malutkie statki kosmiczne; są zbyt ciężkie, by wykorzystać je na Marsie). Tlen można uzupełnić, dlatego odpowiedni byłby kombinezon z prostym układem wentylacyjnym, usuwającym wydychane powietrze do środowiska zewnętrznego (podobnie jak akwalung). Przy okazji udałoby

1 14,7 psi = l bar; l psi = 0,07 atm = 6,9 x 103 N/m2 (przyp. red.)-

ODKRYWANIE MARSA • 205

się bardzo uprościć konstrukcję kombinezonów kosmicznych, zmniejszyć ich wagę, zwiększyć niezawodność, a ponadto przyczynić się do poprawy skuteczności wypraw na Marsa, gdyż stałoby się możliwe przeprowadzenie na powierzchni Marsa nie dziesiątek, lecz tysięcy spacerów powierzchniowych.

Przy prędkości oddychania mniej więcej 20 000 cm3 na minutę astronauta w niskociśnieniowym tlenowym kombinezonie typu akwalung zużyje 1,3 kg tlenu podczas EVA trwającej 4 godziny. Dwie EVA dwóch astronautów w ciągu jednego dnia wycieczki wymagają (wraz z dwukrotnym otwarciem rovera) 12 kg tlenu. W przypadku wykorzystywania rovera codziennie podczas 600 dni pobytu na powierzchni Marsa zużycie tlenu wyniesie 7 ton. Przywiezienie tak dużej ilości tlenu z Ziemi byłoby nie lada obciążeniem. Produkcja 7 ton tlenu na Marsie zajmie tylko 24 dni w jednostce ISPP zasilanej reaktorem 60 kW.

Produkcja paliwa na Marsie

W tym miejscu rozważań powinno być już oczywiste, że nasze możliwości dotarcia na Marsa i zrobienia tam czegoś pożytecznego są uzależnione od technologii produkcji materiału napędowego z marsjańskiej atmosfery. Czy rzeczywiście jest to możliwe? Z całą pewnością tak. Wszystkie procesy chemiczne potrzebne podczas produkcji paliwa są z powodzeniem stosowane na dużą skalę na Ziemi od ponad 100 lat.

Pierwszy etap produkcji materiału napędowego polega na zdobyciu potrzebnych surowców. Wodór, stanowiący zaledwie 5% masy mieszaniny napędowej, może być przywożony z Ziemi. Mocna, wielowarstwowa izolacja zbiorników z wodorem podczas trwającego 6-8 miesięcy rejsu z Ziemi na Marsa pozwala zmniejszyć do 1% miesięczne straty, spowodowane parowaniem ciekłego wodoru, bez konieczności intensywnego mrożenia. Ponieważ na Marsie wodór nie będzie bezpośrednio wprowadzany do silnika, w zbiorniku statku można go przechowywać w postaci żelu (roztworu koloidalnego) z niewielką ilością metanu, co przeciwdziała przeciekom. Ponadto żelowanie ładunku

206 • CZAS MARSA

wodoru ogranicza konwekcję w zbiorniku, zmniejszając jeszcze bardziej straty związane z parowaniem (nawet o 40%).

Z surowców na Marsie trzeba jedynie uzyskać węgiel i tlen. Nie ma z tym problemu, gdyż właśnie te dwa pierwiastki stanowią większość marsjańskiej atmosfery - składającej się w 95% z dwutlenku węgla - są więc w każdym miejscu planety dostępne „za darmo". Zgodnie z pomiarami przeprowadzonymi w miejscu lądowania dwóch Yikingów ciśnienie atmosferyczne na Marsie w ciągu roku waha się od 7 do 10 mbar (ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi na wysokości O m n.p.m. wynosi l bar; 10 mbar, czyli milibarów, to 1% ciśnienia atmosferycznego na powierzchni Ziemi na wysokości O m n.p.m.). W wyżej położonym miejscu lądowania Yikinga l na Chryse Planitia średnie roczne ciśnienie atmosferyczne wynosi 8 mbar. W 1709 roku angielski fizyk, Francis Hawksbee, zademonstrował pompę zdolną pobierać gaz o takim ciśnieniu i sprężać do nadającego się do wykorzystania ciśnienia l bar. Współcześnie dostępne są znacznie lepsze pompy tego rodzaju, nie ma jednak wcale potrzeby sprężania dwutlenku węgla. Można użyć podłoża sorbentowego, które jak gąbka nasiąka dwutlenkiem węgla. Wystarczy wypełnić słój aktywnym węglem lub zeolitem i wystawić przez noc na działanie marsjańskiej atmosfery. Podłoże materiałowe nasiąknie dwutlenkiem węgla do 20% swej wagi podczas niskich nocnych temperatur (-90°C). Po nadejściu dnia ogrzanie podłoża do temperatury około +10°C spowoduje wydzielanie się dwutlenku węgla. Można w ten sposób uzyskać bardzo wysokie ciśnienia gazowego dwutlenku węgla przy niskim zużyciu energii, w układzie nie wykorzystującym żadnych ruchomych części. By spowodować wydzielanie się gazu, można też wykorzystać energię cieplną odpadów, powstających w jednostce chemicznej podczas produkcji materiału napędowego. Wraz ze współpracownikami z Martin Marietta w moim firmowym laboratorium skonstruowaliśmy układ działający w ten sposób. Funkcjonował zupełnie dobrze.

Kontrola jakości procesu wytwarzania paliwa wymaga, by do reaktorów chemicznych nie dostawały się substancje o nie zna-

ODKRYWANIE MARSA • 207

nym składzie, czyli marsjański pył. Osiągamy to, zakładając na otworze wlotowym do podłoża filtr antypyłowy, powstrzymujący większość pyłu, a następnie sprężając marsjańskie powietrze do ciśnienia około 7 barów. Gazowy dwutlenek węgla sprężony do takiego ciśnienia skrapla się, osiągając równowagę w normalnej marsjańskiej temperaturze. (Na Ziemi ciśnienie jest zbyt niskie, by występował płynny dwutlenek węgla). Cząstki marsjańskiego pyłu, które zdołają przejść przez filtry pompy, znajdą się w powstałym po sprężaniu roztworze lub wytrącą się na dnie zbiornika CO2. Natomiast azot i argon, wchodzące w skład powietrza, pozostaną w stanie gazowym i mogą być łatwo usunięte do atmosfery albo -jeszcze lepiej - zachowywane do wykorzystania w systemie podtrzymywania funkcji życiowych jako gazy buforowe. Odparowanie z pojemnika i destylacja da stuprocentowo czysty dwutlenek węgla, podczas gdy marsjański pył pozostanie w roztworze. Od połowy XVIII wieku, gdy Benjamin Franklin wprowadził urządzenie do destylacji do użytku w angielskiej marynarce wojennej, procesy oczyszczenia i destylacji wykorzystujące wspomniane zasady były stosowane powszechnie.

Po uzyskaniu czystego dwutlenku węgla mamy pewność, że żadne nie znane marsjańskie substancje nie mogły dostać się do środka; proces staje się całkowicie kontrolowany i przewidywalny. Najważniejsze będzie odpowiednie zaprojektowanie układu kontroli jakości uzyskiwanego dwutlenku węgla, bo pozostałe procesy chemiczne są znane i łatwe do przeprowadzenia na Ziemi w warunkach naśladujących warunki marsjańskie. Niezawodność procesu potwierdzą testy doświadczalne. Niewiele pozostałych kluczowych elementów załogowej wyprawy na Marsa (silniki, hamowanie atmosferyczne, spadochrony, systemy podtrzymywania funkcji życiowych, techniki spotkania oraz montażu orbitalnego itd.) będzie można sprawdzić na Ziemi równie dokładnie. Lokalna produkcja materiałów napędowych na Marsie nie będzie więc słabym ogniwem marsjańskiej misji; wręcz przeciwnie, będzie jednym z jej największych atutów.

Czysty dwutlenek węgla można poddać gwałtownej reakcji metanizacji, zwanej też reakcją Sabatiera, od nazwiska chemika, który zbadał ją dokładnie w drugiej połowie XIX wieku.

208 • CZAS MARSA

Podana poniżej reakcja Sabatiera polega na uzyskaniu metanu i wody z dwutlenku węgla i wodoru:

CO + 4H

2H2O.

Jest to reakcja egzotermiczna, tzn. prowadzi do wydzielania ciepła i zachodzi spontanicznie w obecności katalizatorów - niklu lub rutenu (nikiel jest tańszy, a ruten lepszy). Wartość stałej równowagi reakcji powoduje, że już po pierwszym cyklu bardzo często wydajność procesu sięga 99%. Reakcja Sabatiera, stosowana powszechnie od ponad 200 lat, była badana przez NASA, amerykańskie lotnictwo i firmy zainteresowane możliwościami jej wykorzystania w systemach podtrzymywania funkcji życiowych stacji kosmicznej i orbitującego laboratorium. Dla przykładu firma Hamilton Standard skonstruowała jednostkę, nadającą się do zastosowania na stacji kosmicznej i poddała ją testom, które trwały 4200 godzin.

Egzotermiczność reakcji Sabatiera oznacza, że nie trzeba dostarczać energii, by ją przeprowadzić. Konstrukcja reaktorów jest bardzo prosta: stalowe rury, lite i zwarte, zawierające złoże katalizatora. Na podstawie doświadczalnych prób, wykonanych w laboratorium Martin Marietta, uważam, że zestaw trzech reaktorów - każdy długości l m i z przekrojem o średnicy 12 cm -wystarczyłby do wyprodukowania metodą reakcji Sabatiera całego zapasu metanu na potrzeby projektu Mars Direct.

Uzyskiwany podczas reakcji (1) metan jest skraplany poprzez kontakt z ultrazimnym strumieniem wdmuchiwanego wodoru lub też (po wyczerpaniu zapasu ciekłego wodoru) w mechanicznej zamrażarce. (Metan przechodzi w stan ciekły w „łagodnie kriogenicznych" temperaturach, zbliżonych do temperatury ciekłego tlenu). Wytworzona podczas reakcji woda jest kondensowana i wprowadzana do pojemnika, następnie wpompowywana do ogniwa elektrolitycznego i poddawana dobrze znanej reakcji elektrolizy, w wyniku której rozkłada się na wodór i tlen:

2H2O

2H + O

(2)

ODKRYWANIE MARSA • 209

Uzyskany tlen zostaje zamrożony i można go w tej postaci przechowywać, natomiast wodór nadaje się do ponownego wykorzystania w reakcji (1).

Elektroliza kojarzy nam się zazwyczaj z ulubionym szkolnym doświadczeniem chemicznym. Mamy przed oczyma obraz ogniwa elektrolitycznego, składającego się z pyreksowych zlewek i szklanych probówek. W rzeczywistości nowoczesne jednostki ogniw elektrolitycznych są obiektami bardzo gęsto upakowanymi i mocnymi - zawierają układane kolejno na sobie warstwy plastiku impregnowanego elektrolitem, oddzielone metalowymi siatkami, przy czym warstwy są ściskane na każdym końcu przez nasadki o metalowych końcówkach, przyśrubowane do prętów metalowych, które biegną wzdłuż całej długości stosu. Tego typu elektrolizery, wykorzystujące stałe polimeryczne elektrolity (SPE, ang. SolidPolymerElectrolyzer), zostały nadzwyczaj starannie opracowane, z zastosowaniem najnowocześniejszej techniki, do użytku na łodziach podwodnych z napędem jądrowym; dotychczas przepracowały ponad siedem milionów ogni-wogodzin. Przeprowadzone próby obejmowały narażanie elektro-lizerów na działanie bomb głębinowych i przeciążeń rzędu 200 g. Prototypy lekkich jednostek elektrolitycznych do użycia na stacji kosmicznej powstały w firmach Hamilton Standard oraz Life Sciences. Obie instalacje są wystarczające dla potrzeb misji przywiezienia na Ziemię próbek z Marsa z zastosowaniem ISPP. Jednostki dostarczone brytyjskiej marynarce wojennej przez Hamilton Standard mają odpowiednią wydajność, by produkować na Czerwonej Planecie paliwo potrzebne do powrotu na Ziemię załogowej misji marsjańskiej. Instalacje pracowały bez wykonywania żadnych zabiegów konserwacyjnych przez blisko 28 000 godzin, a więc okres czterokrotnie dłuższy od czasu eksploatacji, wymaganego przez projekt Mars Direct. Wanny elektrolityczne SPE na łodziach podwodnych są specjalnie bardzo ciężkie, gdyż spełniają jednocześnie rolę balastu. Dla potrzeb wypraw kosmicznych można bez trudu skonstruować znacznie lżejsze elektrolizery SPE.

Cykliczne wykorzystanie w reakcjach (1) i (2) całości ładunku ziemskiego wodoru do produkcji paliwa oznaczałoby prze-

210 • CZAS MARSA

kształcenie l kg wodoru przywiezionego na Marsa w 12 kg dwuskładnikowej mieszaniny napędowej metan/tlen o stosunku mas tlenu do metanu wynoszącym 2:1. Spalana w tej proporcji mieszanina dałaby impuls właściwy (Isp) sięgający 340 s. Rezultat zupełnie zadowalający, gdyby nie to, że optymalny stosunek mas tlenu do metanu w mieszaninie, zapewniający najkorzystniejsze spalanie, wynosi 3,5:1 i daje Isp równy 380 s oraz proporcję masy ziemskiego wodoru do masy dwuskładnikowego materiału napędowego w pobliżu 18:1. Projekt załogowej wyprawy według planu Mars Direct wymaga zapewnienia tych parametrów.

Konieczne staje się znalezienie dodatkowej ilości tlenu ponad uzyskaną dzięki reakcjom (1) i (2). Jedna z możliwości to bezpośrednia redukcja dwutlenku węgla:

2CO2 -» 2CO + O2.

(3)

Reakcja ta będzie zachodzić po podgrzaniu dwutlenku węgla do temperatury około 1100°C, w której gaz częściowo się rozkłada, uwalniając tlen. Powstający swobodny tlen można oddzielić od pozostałych gazów, stosując elektromechaniczne pompowanie poprzez ceramiczną, wykonaną z tlenku cyrkonu membranę pod napięciem. W latach siedemdziesiątych dr Robert Ash z JPL wysunął propozycję wykorzystania tej reakcji do produkcji tlenu na Marsie. Od tamtego czasu pomysł jest sprawdzany przez Asha (obecnie pracującego w Old Dominium University) oraz Kumara Ramohalliego i K. R. Sridhara (z Uniwersytetu Stanu Arizona). Zalety reakcji to zupełne uniezależnienie od innych procesów chemicznych oraz perspektywa produkcji nieograniczonych zapasów tlenu bez żadnych dodatkowych materiałów. Minusem jest łamliwość oraz niska wydajność rurek wykonanych z tlenku cyrkonu; z tych względów dla potrzeb załogowej wyprawy Mars Direct konieczne byłoby zastosowanie bardzo dużej ich ilości. Ponadto, w porównaniu z elektrolizą wody reakcja wymagałaby pięciokrotnie więcej energii na jednostkę masy wyprodukowanego tlenu. Naukowcy z Uniwersytetu Stanu Arizona donosili niedawno

ODKRYWANIE MARSA • 211

o uzyskaniu wyższej wydajności; słowem, proces wydaje się obiecujący, lecz wciąż pozostaje na etapie eksperymentalnym. Dobrze znana (inżynierom chemikom) reakcja przemiany woda-gaz2, przeprowadzona w odwrotnym kierunku, byłaby alternatywą zapożyczoną z przemysłowych technologii chemicznych ery oświetlenia gazowego. Proces polegałby na wprowadzeniu do trzeciej komory części wodoru, wytwarzanego w jednostce elektrolitycznej, by ponownie go użyć - poprzez reakcję wodoru z dwutlenkiem węgla w obecności katalizatora żelazowo-chromowego - do produkcji tlenku węgla i wody:

CO + H

CO + H2O.

(4)

Reakcja ta jest w niewielkim stopniu endotermiczna, będzie jednak bez problemów zachodzić w temperaturach reakcji Sa-batiera, czyli powyżej 400°C. Cykliczne prowadzenie reakcji (4) wraz z reakcjami (1) i (2) pozwoli otrzymać pożądany stosunek zawartości tlenu i metanu w mieszaninie, przy wykorzystaniu do reakcji (4) wyłącznie energii cieplnej, wydzielającej się podczas reakcji Sabatiera. Reakcję (4) można przeprowadzać w pojedynczej stalowej rurze, więc konstrukcja reaktora będzie dość wytrzymała. Niekorzystnym aspektem reakcji (4) jest to, że w tym zakresie temperatur stała równowagi wynosi zaledwie 0,1, co oznacza, iż by zapewnić jej przebieg, musi nieprzerwanie pracować (w ciągu reakcji) kondensator usuwający wodę. (Woda jest jednym z produktów reakcji (4), więc dopóki będzie stale odprowadzana, reakcja, która zmierza do osiągnięcia odpowiedniego, równowagowego stężenia wody w reaktorze, będzie nadal zachodziła). Wymóg ten można spełnić i z punktu widzenia inżynierii chemicznej nie wiąże się to z żadnym poważniejszym problemem. Opracowano jednak również kilka innych schematów, co najmniej równie obiecujących. Jedna

2 Mowa tu o procesie tworzenia tzw. gazu wodnego, na który składają się

produkty następujących reakcji:

C + H2O "°°^ CO + H2

CO + H2O -ka^ CO2 + H2 (przyp. red.).

212 • CZAS MARSA

z najelegantszych propozycji polega na prowadzeniu obu reakcji (1) i (4) w jednym reaktorze:

3CO + 6H

CH + 2CO

4H2O.

(5)

Reakcja ta jest w niewielkim stopniu endotermiczna; przeprowadzana w cyklu wraz z reakcją (2) doprowadzi do osiągnięcia proporcji tlenu do metanu równej 4:1, a także optymalnej, wynoszącej 18:1, proporcji masy wodoru do masy paliwa. Ponadto, produkuje sporą dodatkową ilość tlenu - niezłe zabezpieczenie działania systemu podtrzymywania funkcji życiowych - a także pozwala uratować pewną ilość tlenku węgla, nadającego się do stosowania w rozmaitych urządzeniach z silnikami spalinowymi i w ogniwach paliwowych. Uwzględnienie całego wytworzonego tlenku węgla i tlenu daje ogólny uzysk materiału napędowego w wysokości 34: l!

Kolejna metoda uzyskania dodatkowych ilości tlenu polega po prostu na wzięciu części metanu, powstałego w reakcji (1), i poddaniu pirolizie do węgla i wodoru:

C + 2H2.

(6)

Wytworzony w ten sposób wodór zostanie ponownie wykorzystany w reakcji (1) do ataku na kolejne partie marsjańskie-go dwutlenku węgla. W komorze służącej do prowadzenia reakcji (6) powstałby dość szybko grafitowy osad. (Reakcja ta jest najpowszechniej stosowaną przemysłową metodą otrzymywania pirolitycznego grafitu). Dopływ metanu do reaktora zostanie w tym momencie odcięty, a reaktor będzie wypełniony gorącym gazowym dwutlenkiem węgla, wchodzącym z grafitem w reakcję, która prowadzi do powstania CO (komora jest następnie oczyszczana z tlenku węgla przez wentylację):

CO2 + C -> 2CO.

(7)

Pomysł zastosowania dwóch komór - jednej służącej do pirolizy, podczas gdy oczyszczana jest druga komora jako naj-

ODKRYWANIE MARSA • 213

prostszej metody uzyskania dodatkowych ilości tlenu przedstawił mi Jim McElroy, pracujący z zespołem naukowców w Hamilton Standard.

Często się zdarza, że pomimo niezmiernej prostoty napisanego na kartce papieru ciągu chemicznych równań, wyrażających proces syntezy, trudne w praktyce okazuje się zbudowanie odpowiedniej, działającej instalacji. Jednak nie w tym przypadku. Wiem, bo kierowałem programem budowy od podstaw marsjań-skiej jednostki ISPP. Jesienią 1993 roku David Kapłan i David Weaver, reprezentujący Centrum Kosmiczne im. Johnsona (JSC), przyszli do mnie i zapytali, czy firma Martin Marietta mogłaby zaprezentować działający model systemu ISPP, który wielokrotnie propagowałem w artykułach i podczas wykładów. Haczyk polegał na tym, że na wsparcie finansowe projektu NASA była skłonna przeznaczyć zaledwie 47 000 dolarów, kwotę bardzo skromną jak na przygotowanie nowej technologii kosmicznej, zwłaszcza że prace miałyby się zakończyć w styczniu 1994 roku. W sumie całkiem poważne wyzwanie, gdyż za 47 000 dolarów w Martin Marietta można kupić raport zawierający parę tuzinów diagramów. Byłem mimo to przekonany, że, skoro wykorzystywana technologia jest bardzo prosta, uda się wykonać prototyp instalacji bez względu na ograniczenia budżetowe i naglący termin. Po serii dyskusji z zarządem Martin Marietta wyzwanie zostało podjęte. W październiku 1993 roku firma zawarła kontrakt na wykonanie prac; David Kapłan był menedżerem projektu z ramienia JSC, Steve Price - menedżerem projektu z ramienia Martin Marietta, natomiast ja zostałem kierownikiem naukowym i głównym inżynierem w zespole projektowym.

Układ zaprojektowaliśmy w październiku, większość listopada czekaliśmy, aż zamówione części nadejdą pocztą. Pod koniec listopada dysponowaliśmy wszystkimi potrzebnymi częściami, więc pełną parą przystąpiliśmy do budowy instalacji, spełniającej wymogi misji przywiezienia próbek gruntu z Marsa.

Startując od zera zbudowaliśmy reaktor Sabatiera - metalową rurę długości 36 cm i o średnicy 5 cm, którą wypełniliśmy katalizatorem rutenowym, dostarczonym przez firmę sprzedającą odczynniki chemiczne. (Później okazało się, że objętość reaktora

214 • CZAS MARSA

przerasta nasze potrzeby, ale naglący termin nie pozwalał na zmianę projektu). Z instalacji dostarczającej wodór w laboratorium Packard Instrument wydarliśmy elektrolizer o wysokości 25 cm i ważący tylko 3 kg. Wokół reaktora Sabatiera umieściliśmy grzejniki chromonikielinowe, służące do uzyskania wymaganej temperatury (gdy to już nastąpi, ciepło wydzielające się podczas reakcji utrzymuje wystarczająco wysoką temperaturę bez konieczności używania energii elektrycznej). Zbudowaliśmy układ kondensacyjny, zapewniający separację wytworzonego metanu i wody. Wszystkie podzespoły zostały połączone w jeden sysytem; w strategicznych punktach umieściliśmy czujniki ciśnienia i temperatury oraz liczniki przepływającego gazu i podłączyliśmy do komputera w celu obserwacji i kontroli pracy układu. Pod koniec drugiego tygodnia grudnia urządzenie było złożone i gotowe do pracy (wkładka, plansza 16).

Po raz pierwszy uruchomiliśmy układ 15 grudnia, ograniczając się jedynie do reakcji Sabatiera. Pod koniec drugiej godziny pracy poziom wody w naczyniu kondensatora wyraźnie wzrósł, dowodząc poprawnego funkcjonowania układu. Późniejsza analiza laboratoryjna gazu wyciekającego z reaktora Sabatiera pozwoliła stwierdzić, że wydajność reakcji zamiany wodoru i dwutlenku węgla na metan i wodę wynosiła 68%. W ciągu kolejnych dni wprowadzaliśmy modyfikacje, mające poprawić sprawność układu. 22 grudnia osiągnęliśmy wydajność 85%, z wodorem pochodzącym z elektrolizera. 5 stycznia po raz pierwszy uruchomiliśmy wszystkie zintegrowane funkcje układu i uzyskaliśmy wydajność 92%. W końcu 6 stycznia 1994 roku kompletny układ pracował w trybie zintegrowanym przez cały dzień, osiągając wydajność procesu konwersji wynoszącą 94%.

Pomyślnie przeprowadzona próba układu z 6 stycznia oznaczała osiągnięcie wszystkich stawianych celów, przy czym pozostało jeszcze dość pieniędzy, by napisać sprawozdanie3.

3 R. Zubrin, S. Price, L. Mason i L. Clark: Report on the Constructton and Opera-tion of a Mars In-Situ Propellant Productwn Plant, AAIA-94-2844, 30th AAIA Jo-int Propulsion Conference, Indianapolis, Indiana, czerwiec 1994. Sprawozdanie przedrukowano w „Journal of the British Interplanetary Society", sierpień 1995.

ODKRYWANIE MARSA • 215

Od tamtego czasu niewielkie sumy pochodzące z JSC oraz, w drugiej kolejności, z JPL pozwoliły na dopracowywanie i ulepszanie układu. Dodaliśmy podłoża sorbentowe, umożliwiające czerpanie dwutlenku węgla z atmosferycznych zasobów Marsa przy lokalnej marsjańskiej wartości ciśnienia. Wydajność reaktora Sabatiera podnieśliśmy do 96%, zmniejszając jednocześnie dziesięciokrotnie jego rozmiary. Wprowadziliśmy ważącą 2 kg zamrażarkę Stirlinga do skraplania całego wytworzonego tlenu i przechowywania w kriogenicznym termosie, a także automatyczne systemy kontrolne, pozwalające na pracę układu przez 10 dni bez interwencji ze strony operatora. Instalacja, zaprojektowana do wyprodukowania 400 kg paliwa dla potrzeb misji przywiezienia próbek z Marsa, waży w przybliżeniu 20 kg, a zużycie energii wynosi poniżej 300 watów.4 Prowadzone badania świadczą o tym, że instalacja o większych rozmiarach, odpowiadających potrzebom projektu Mars Direct, osiągnie większą wydajność na jednostkę masy własnej, gdyż masa elementów obciążających, na przykład liczników przepływającego gazu i czujników ciśnieniowych, będzie wówczas odgrywać znikomą rolę.

Potrafimy na Marsie produkować paliwo rakietowe i tlen.

Kontakt z bazą

Marsjańskie pojazdy terenowe z silnikami spalinowymi pozwolą odkrywcom Czerwonej Planety podróżować do jej odległych zakątków. W jaki sposób będą wtedy utrzymywać kontakt z bazą? Średnica Marsa wynosi niewiele więcej niż połowa średnicy Ziemi, zatem horyzont znajduje się odpowiednio bliżej. Gdyby na Marsie występowały obszary tak płaskie jak amerykański stan Kansas, horyzont znajdowałby się już w odległości 4 km - a przecież Mars zdecydowanie nie przypomina

4 R. Zubrin, S. Price, L. Mason i L. Clark: Ań End to End Demonstration of Mars In-Situ Propellant Production, AAIA-95-2798, 31th AAIA Joint Propulsion Confe-rence, San Diego, Kalifornia, 10-12 lipca 1995.

216 • CZAS MARSA

Kansas. Wybierając się dokądkolwiek, wycieczka znajdzie się poza horyzontem bazy. Okoliczność ta wyklucza transmisje radiowe po torze optycznym. W jaki sposób astronauci będą łączyć się z bazą?

Można umieścić na orbicie okołomarsjańskiej, na wysokości 17 065 km nad równikiem planety, stacjonarnego satelitę komunikacyjnego. Na tej wysokości satelita będzie poruszać się z prędkością 1,45 km/s, a okrążenie Marsa zajmie mu 24,6 godziny. Tyle wynosi marsjańska doba, więc taki satelita, obserwowany z powierzchni Czerwonej Planety, będzie się wydawać nieruchomy. Satelita „areostacjonarny" jest dokładnym odpowiednikiem satelitów geostacjonarnych, które obecnie są wykorzystywane do budowy ziemskiego systemu komunikacji. Gdyby załogowa wyprawa wylądowała na równiku Marsa, satelita wisiałby dzień i noc dokładnie nad głowami astronautów i umożliwiał komunikowanie się z bazy z kimkolwiek i czymkolwiek w promieniu 5000 km, a więc na połowie obszaru planety.

Niestety, satelity komunikacyjne są kosztowne oraz, co ważniejsze, zawodne. Co by się stało, gdyby satelita zamilkł w czasie wycieczki na obszary oddalone od bazy o 400 km?

Opcja awaryjna przewiduje użycie amatorskich radiostacji nadawczo-odbiorczych. Mars ma jonosferę - odległą, zewnętrzną warstwę atmosfery, składającą się z naładowanych cząstek. Jonosfera odbija fale radiowe, a więc umożliwia na Marsie globalną komunikację radiową w zakresie krótkich fal radiowych, podobnie jak na Ziemi. Pomiary, wykonane przez Marinera 9 oraz ładowniki i orbitery Yikingów, dostarczyły wielu danych na temat marsjańskiej jonosfery. Rozciąga się w górę począwszy od wysokości około 120 km; w 90% składa się z jonów O2+, a w 10% z jonów CO2+ oraz identycznej liczby swobodnych elektronów, powstałych wskutek fotojonizacji. Podczas dnia maksymalna gęstość elektronów, wynosząca 200 000/cm3, utrzymuje się na wysokości mniej więcej 135 km. Nocą gęstość elektronów spada do minimalnej wartości 5000/cm3, osiąganej na wysokości około 120 km. Podane wartości są mniej więcej 25 razy mniejsze od gęstości elektronów w ziemskiej jono-

ODKRYWANIE MARSA • 217

sferze. Ponieważ jednak najwyższa częstość fal radiowych, nadających się do komunikacji, maleje proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego gęstości elektronów, na Marsie jest tylko 5 razy niższa od częstości fal radiowych dostępnej na Ziemi. Radioamatorzy mogą porozumiewać się na Ziemi na częstości aż 20 'MHz, natomiast na Marsie astronauci będą zmuszeni ograniczyć się do częstości 4 MHz w ciągu dnia i 700 kHz nocą. Nocna częstość jest za niska do przekazywania obrazów lub innych danych, wymagających wysokich prędkości transmisji, lecz nadaje się do celów telemetrii technicznej oraz przekazywania głosu. Na Ziemi ta właśnie częstość radiowa (zakres fal długich z modulacją amplitudową) cieszy się szczególnym upodobaniem komercyjnych stacji, nadających muzykę pop i rozmowy na antenie.

Wprawdzie używanie niższych częstości wiąże się z pewnymi niewygodami (wyższe częstości pozwalają na szybszą transmisję danych), z nawiązką równoważy to sprzyjająca okoliczność: marsjańska jonosfera jest znacznie mniej zanieczyszczona szumem radiowym. Na Ziemi nadawanie na krótkich falach radiowych wymaga większej mocy z powodu obecności w eterze szumu radiowego, powodowanego przez odległe wyładowania atmosferyczne i radioamatorów, nadajniki wojskowe i popularne stacje muzyczne. Na Marsie te wszystkie problemy znikają.

Amatorskie urządzenia radiowe kojarzą się z ciężkim, nieporęcznym sprzętem, który nie nadaje się do pełnienia roli przenośnego środka komunikacji. W ziemskich warunkach zostały jednak opracowane - dla celów wojskowych - zaawansowane technologicznie systemy przenośnej komunikacji radiowej na falach krótkich; z pewnością można je wykorzystać podczas odkrywania Marsa. Do takich rozwiązań należy zaawansowany miniaturowy system pracujący na wysokich częstościach (AMHFS, ang. Aduanced Miniaturę High Freąuency System), produkt firmy Defense Systems Inc.; jest to system nadawczo--odbiorczy, wyposażony w jednostki o objętości 0,7 dm3 i masie 0,8 kg - a więc wystarczająco małe, by można było się nimi posłużyć nie tylko w roverach, lecz także poza pojazdem. Doświadczenie zdobyte w ziemskich warunkach pozwala stwier-

218 • CZAS MARSA

dzić, że na oświetlonej Słońcem półkuli Marsa system mógłby przekazywać dane z szybkością 2,4 kb/s, będąc zasilanym energią słoneczną o mocy IOW lub energią elektryczną o mocy 30 W. Szybkość 2,4 kb/s pozwala na transmisję technicznych danych telemetrycznych, poczty elektronicznej, przekazywanie głosu w czasie realnym (niska jakość) oraz pakietową transmisję głosu z wysoką jakością. Transmisja głosu w czasie rzeczywistym i z wysoką jakością (znana nam z ziemskich telefonów) wymagałaby dwudziestokrotnie szybszej transmisji danych i zasilania mocą 600 W - z łatwością generowaną przez rovera. Zapotrzebowanie na moc może okazać się znacznie mniejsze, jeśli marsjańska atmosfera jest naprawdę tak spokojna, jak przewiduje teoria.

System AMHFS wykorzystuje technikę adaptacyjnego sondowania, polegającą na automatycznym przeszukiwaniu widma częstości i odnajdowaniu najwyższej częstości nadającej się do użytku w czasie rzeczywistym; następnie jednostki wymieniają „uścisk dłoni" - potwierdzenie nawiązania łączności i poprawnego przesłania danych. Nawet jeśli podczas transmisji warunki jonosferyczne są nieprzewidywalne lub zmienne, system AMHFS potrafi się przystosować, znajdując i wykorzystując najlepszy dostępny kanał radiowy. Elektroniczne układy AMHFS kompensują niedostatki rozmiarów anteny dla długości fali wybranej do nawiązania łączności. Dzięki temu ta sama sześciometrowa antena prętowa nadaje się do przesyłania danych z częstością 0,5 MHz i 5 MHz. Stosowane anteny są bardzo lekkie, mają kształt sprężyny śrubowej, łatwo się składającej.

Wykorzystanie krótkich fal radiowych do utrzymywania łączności przyniesie dodatkową korzyść. Identyczny system będzie stosowany do głębokiej, radarowej penetracji gruntu. Sygnał radiowy o częstości 3 MHz ma długość fali równą 100 m. W suchym środowisku takie skierowane w dół sygnały mogą spenetrować marsjański grunt na głębokości około 10 długości fali, czyli l km. Wielu wybitnych geologów, zajmujących się Marsem, uważa, że na planecie mogą występować zwierciadła ciekłej wody na głębokości 500-1000 m pod powierzchnią pla-

ODKRYWANIE MARSA • 219

nety. Nawet jeśli nie wszędzie, to niemal na pewno w niektórych miejscach energia geotermiczna powoduje topnienie kieszonek podpowierzchniowego lodu i powstawanie gorących zbiorników podpowierzchniowych. (Geologicznie Mars jest wciąż żywy. Ocenia się, że ogromne wulkany na kontynencie Tharsis mają niespełna 200 milionów lat. Z punktu widzenia 4,5 miliarda lat historii Czerwonej Planety to tak jakby wybuchały jeszcze wczoraj). Astronauci podróżujący roverem i korzystający z krótkofalówek będą mogli wysyłać impulsy radarowe w głąb ziemi. Podpowierzchniowe zwierciadło wodne ma znacznie wyższą przewodność właściwą niż otaczająca je sucha gleba czy lód, dlatego jeśli znajduje się na głębokości do l km, spowoduje silne odbicie sygnału radiowego z powrotem do odbiornika w roverze, natomiast czas od wysłania sygnału do powrotu pozwoli załodze określić głębokość poziomu ciekłej wody. Po odkryciu geotermicznie podgrzewanego basenu wodnego płytko pod powierzchnią planety astronauci będą mogli przystąpić do wierceń. W końcu woda jest konieczna do życia.

Nawigacja na Marsie

Badacze Marsa muszą też opanować marsjańską nawigację. Dla poruszających się w terenie astronautów - choć zostaną wyposażeni w dobre mapy Czerwonego Globu, opracowane na podstawie obrazów powierzchni planety, przekazanych z orbity okołomarsjańskiej przez sondy - najpoważniejszym problemem będzie określenie położenia rovera. Umiejętność ta, przydatna do dokumentacji i lokalizacji punktów, interesujących z naukowego punktu widzenia, ma przede wszystkim kluczowe znaczenie w kwestii przeżycia. Zgubienie się na marsjańskich pustkowiach - podobnie jak na północnoafrykańskiej pustyni podczas II wojny światowej - może dla załogi rovera oznaczać śmierć. Radiolatarnia w bazie będzie wskazywała drogę powrotną podróżującym astronautom, lecz, niestety, jej zasięg ograniczy horyzont bazy (o promieniu 40 km). Astronauci, wy-

220 • CZAS MARSA

ruszający na dalszą wyprawę, mogliby wprawdzie ustawić drugą radiolatarnię na szczycie wzgórza w pobliżu horyzontu bazy, następną po przebyciu kolejnych 40 km i tak dalej. Opisana technika oznakowania drogi powrotnej do bazy wprowadza jednak istotne ograniczenia, a ponadto - podobnie jak w opowieści o szlaku znaczonym okruchami chleba, które zostały zjedzone przez ptaki - awaria którejkolwiek radiolatarni może mieć katastrofalne skutki. Z jakich innych metod nawigacji skorzystają załogi roverów?

Pierwsza rzecz, jaka przychodzi do głowy inżynierowi pracującemu w przemyśle lotniczym i kosmicznym, to wykorzystanie satelitów nawigacyjnych. W każdej chwili znana jest szerokość areograficzna satelity, który krąży po niskiej orbicie biegunowej5. Umieszczenie radiolatarni na satelicie (wystrzelona w 1996 roku sonda Mars Global Surueyor jest wyposażona w radiolatarnię) pozwoli załodze rovera usłyszeć sygnał z satelity i określić własną szerokość areograficzna przez porównanie momentu najmniejszego oddalenia radiolatarni z tabelami ruchu satelity, przechowywanymi w pamięci systemu komputerowego rovera. Ponadto tempo zbliżania się satelity do rovera będzie znacznie szybsze, gdy pojazd będzie znajdował się w miejscu, nad którym przebiega orbita satelity, a wolniejsze -gdy znajdzie się daleko od takiego miejsca. Pomiar przesunięcia dopplerowskiego, spowodowanego zbliżaniem się i oddalaniem radiolatarni, dostarczy danych potrzebnych do obliczenia odległości na wschód lub zachód od linii rzutu orbity satelity na powierzchnię Marsa, dokładnie wskazującej kierunek pół-noc-południe. Długość areograficzna astronauci wyznaczą, porównując obliczenia z komputerowym zapisem wartości długości areograficznej satelity w funkcji czasu.

Te nowoczesne techniki są wystarczająco dokładne. W warunkach ziemskich identyczną metodę zastosowano w systemie łączności satelitarnej Argos, śledzącym ruchy jastrzębi i łosi z dokładnością do l km (tyle że to łosie i jastrzębie nosiły radiolatarnię, a satelita był odbiorcą i przeprowadzał potrzeb-

5 Orbita przebiegająca nad biegunami planety (przyp. red.).

ODKRYWANIE MARSA • 221

ne obliczenia). Mimo to trzeba rozwiązać pewne problemy. Satelita krąży po mniej więcej dwugodzinnej orbicie, podczas gdy w dole obraca się Mars. Obserwator na powierzchni planety natknie się na satelitę tylko dwukrotnie w ciągu doby: raz w ciągu dnia i drugi raz nocą, co oznacza, że jeden satelita pozwala wprowadzić korekty położenia zaledwie raz na 12 godzin. Sytuacja ulegnie poprawie po umieszczeniu na około-marsjańskich orbitach biegunowych kolejnych sztucznych satelitów, ale będzie się to wiązało z naprawdę dużymi wydatkami. A co się stanie w przypadku awarii radiolatarni satelitarnej, roverowego odbiornika lub systemu komputerowego? Czy istnieją zastępcze, nieskomplikowane technicznie metody określania położenia?

Na Ziemi podstawowym przyrządem nawigacyjnym, wykorzystywanym przez marynarzy, był przez długi czas kompas magnetyczny. Urządzenie to jest, niestety, bezużyteczne na Marsie, gdyż nie ma on prawie w ogóle pola magnetycznego. A jednak na Czerwonej Planecie można stosować pewne starożytne ziemskie metody astronawigacji, i to^ z lepszym skutkiem niż na Ziemi.

Każdy, kto kiedykolwiek starał się określić położenie na naszej planecie wie, że ustalenie szerokości geograficznej jest proste, natomiast trudności sprawia wyznaczenie długości geograficznej. Do określenia szerokości geograficznej wystarczy sekstans, którym mierzy się kąt między biegunem niebieskim a horyzontem: ów kąt jest szukaną szerokością geograficzną. Pomiar jest szczególnie łatwy na półkuli północnej, ponieważ biegun niebieski z dokładnością do 1° pokrywa się z położeniem Gwiazdy Polarnej. Wskazuje ona również kierunek północny dokładniej niż jakikolwiek kompas. Czy na Marsie znajdzie się jakaś dobrze widoczna gwiazda, odpowiednik ziemskiej Gwiazdy Polarnej? Nie, lecz północny biegun niebieski Marsa - o rektascensji 21,28h i deklinacji północnej 52,89° - wyjątkowo łatwo odnaleźć, gdyż leży prawie dokładnie w połowie pomiędzy dwoma jasnymi gwiazdami: Denebem i a Cephei (Cefeusza). Dysponując sekstansem, będzie można podczas pogodnych nocy (które na pustynnym Marsie zdarzają

222 • CZAS MARSA

się znacznie częściej niż na Ziemi) z łatwością wyznaczyć szerokość areograficzną.

A co z długością areograficzną? Mając dokładny zegarek, ustawiony na standardowy czas, na przykład średni czas Greenwich (GMT), możemy wyznaczyć ziemską długość geograficzną, określając godzinę wschodu Słońca i porównując ją z tabelami, które podają godzinę wschodu Słońca dla danego dnia i południka (w przypadku Greenwich - południka zerowego, czyli dla 0° długości geograficznej) na określonej szerokości geograficznej. Jeśli na przykład wiemy, że 21 marca na naszej szerokości geograficznej Słońce wzejdzie o szóstej rano na południku zerowym, a obserwujemy wschód Słońca o siódmej rano (na zegarku wskazującym czas GMT), stwierdzamy, iż znajdujemy się na 15° zachodniej długości geograficznej (ponieważ Ziemia obraca się z prędkością 360° na dobę, czyli 15° na godzinę).

Opisana metoda zupełnie dobrze sprawdza się na Ziemi, a na Marsie będzie działać jeszcze lepiej, gdyż na marsjańskim nieboskłonie poza Słońcem znajdują się dwa inne ciała niebieskie, które mogą pomóc określić długość areograficzną: Fobos i Dejmos, szybko poruszające się, niewielkie księżyce, przypominające planetoidy. Fobos krąży bliżej Marsa niż Dejmos; obserwowany z powierzchni planety ma jasność -10m (-10 wielkości gwiazdowych), czyli świeci mniej więcej 300 razy silniej niż Wenus na ziemskim nieboskłonie w okresie najlepszej widoczności; natomiast jasność Dejmosa wynosi -7m, co odpowiada blaskowi około 20 razy silniejszemu niż jasność Wenus, oglądanej z Ziemi. Oba księżyce powinny być widoczne z powierzchni Marsa zarówno nocą, jak i w dzień, chyba że akurat trwa burza pyłowa. I Fobos, i Dejmos krążą po prawie dokładnie równikowych orbitach, zatem by wyznaczyć szerokość areograficzną, wystarczy zmierzyć kątową odległość księżyców od zenitu, gdy znajdują się najwyżej na niebie; metodę tę można stosować nawet w środku dnia. Okres obiegu Fobosa dookoła Marsa wynosi 7 godzin i 39 minut, Dejmosa zaś - 30 godzin i 18 minut. Obecność na niebie Słońca, Fobosa i Dejmosa pozwoli marsjańskiemu nawigatorowi obserwować liczne

ODKRYWANIE MARSA • 223

wschody i zachody ciał niebieskich, pomiędzy którymi można wybrać zjawiska szczególnie nadające się do określania długości areograficznej metodą pomiaru czasu wschodu i porównania z tabelami. Wykorzystując wiedzę matematyczną (zupełnie elementarną dla wyszkolonego nawigatora), obserwator na powierzchni Marsa - wyposażony w sekstans, zegarek i tabele wschodów ciał niebieskich - będzie mógł jednocześnie wyznaczyć zajmowaną długość i szerokość areograficzną, gdy tylko na nieboskłonie będą widoczne dowolne dwa spośród trzech ciał niebieskich: Słońca, Fobosa i Dejmosa.

Wspomnijmy przy okazji, że na Ziemi milę morską (czyli 1,82 km) definiujemy jako odległość równą l minucie (tzn. 1/60 stopnia) długości geograficznej. Identyczna definicja mili morskiej na Marsie (l minuta długości areograficznej) daje wartość prawie równą l km (dokładnie: 983 m), a zatem na Czerwonej Planecie w końcu będą się mogli pogodzić przywykli do mil nawigatorzy i zagorzali zwolennicy układu metrycznego.

Metody pomiaru czasu na Marsie

Literatura marsjańska obfituje w dyskusje dotyczące systemów pomiaru czasu na Marsie. Po rozważeniu kwestii określania położenia na powierzchni planety nadeszła pora zająć się sprawą czasu.

Wiemy już, że marsjańska doba liczy 24 godziny i 39,6 minuty (czasu ziemskiego). Proponowane dotychczas metody pomiaru czasu zwykle utrzymywały ziemski rozkład dnia i ziemską długość godziny, dodając zaraz po północy dodatkową niepełną godzinę.6 Alternatywne podejście sugeruje wprowadzenie całkowicie nowatorskich zegarów, mierzących czas w zupełnie nowych jednostkach dziesiętnych.7

6 B. Clark: A Day in the Life of Mars Base l, „Journal of British Interplanetary Society", listopad 1990.

7 B. Mackenzie: Metric Time for Mars, AAS 87-269. [W:] C. Stoker (red.): The Ca-se for Mars III, t. 75, Science and Technology Series of the American Astronauti-cal Society, Univelt, San Diego, Kalifornia 1989.

224 • CZAS MARSA

Wcześniejsze rozważania na temat nawigacji na powierzchni Marsa pozwalają się domyślać, że piekielnie niewygodne byłoby stosowanie godzin nierównej długości do obliczeń nawigacyjnych bądź astronomicznych. Z drugiej strony, zegar dziesiętny (lub inny podobnie nowatorski zegar) powodowałby dezorientację i bez wątpienia zmusiłby do całkowitej modernizacji obecnie stosowanych układów współrzędnych areogra-ficznych (wykorzystujących ziemski sześćdziesiętny system stopni, minut i sekund).

Pomysł prostego i praktycznego rozwiązania jest następujący: trzeba podzielić marsjańską dobę na 24 marsjańskie godziny, z których każda liczy 60 marsjańskich minut, mających po 60 marsjańskich sekund. Współczynnik pozwalający przeliczać marsjańskie dni, godziny, minuty i sekundy na ziemskie odpowiedniki wynosi 1,0275. Na przykład godzina 6 rano na Marsie miałaby identyczne znaczenie fizyczne (usytuowanie planety względem Słońca) co na Ziemi. Wszystkie przeliczenia stosowane w ziemskiej nawigacji zachowają sens: i na Ziemi, i na Marsie godzina zegarowa równa się 15 stopniom długości, podobnie minuta zegarowa równa się 15 minutom długości, a sekunda zegarowa - 15 sekundom długości.

Proponowany zegar rozwiąże wszystkie codzienne kwestie, dotyczące pomiaru czasu na Marsie. Planiści misji marsjańskich w JPL już teraz używają tej rachuby czasu, gdy na przykład orbitę przyszłego marsjańskiego satelity określają, podając zakres czasowy „6 rano - 6 wieczorem"; mają wówczas na myśli satelitę podążającego w ślad za terminatorem, linią oddzielającą oświetloną strefę planety od nie oświetlonej. Stosują marsjański czas lokalny, więc „6 rano" odnosi się do czasu marsjańskiego, a 12 godzin dzielących ją od „6 wieczorem" to godziny marsjańskie. Marsjański zegar, niestety, czasem drażni fizyków, przyzwyczajonych traktować ziemską sekundę jako świętą jednostkę czasu w fizyce. Nie powinni się jednak tym martwić, gdyż marsjańscy krystalografowie i inni badacze, starający się osiągnąć jak najwyższy stopień precyzji pomiarów częstości, będą mogli podawać wyniki w ziemskich jednostkach czasu. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (SI) pozo-

ODKRYWANIE MARSA • 225

stanie nietknięty. Natomiast dla funkcjonowania na Marsie ziemskie sekundy czy dni są mniej przydatne od swych mars-jańskich odpowiedników, dlatego będą musiały ustąpić im miejsca.

Telerobotyka: rozszerzenie zasięgu załogi

Względy bezpieczeństwa nakazują, by gdy dwaj astronauci (naukowiec i inżynier mechanik) podróżują roverem po oddalonych rejonach powierzchni Marsa, dwaj pozostali członkowie załogi pozostawali w module mieszkalnym w bazie. Gdyby załoga rovera wpadła w tarapaty, pozostała w bazie dwójka astronautów może ruszyć na pomoc pojazdem awaryjnym (na przykład jednym z otwartych roverów). W bazie właściwie zawsze powinny być obecne przynajmniej dwie osoby, natomiast w okresach pomiędzy wyprawami roverowymi (trwającymi 1-10 dni) obecni będą wszyscy członkowie załogi. Oczywiście, w bazie na załogę czeka wiele pożytecznych zajęć - analiza zebranych próbek, przeprowadzanie rozmaitych doświadczeń naukowych i technicznych, budowa oraz konserwacja potrzebnego sprzętu. Skoro jednak najważniejszym celem misji jest poznanie Marsa, dobrze byłoby wykorzystać część czasu spędzanego przez personel w bazie na podróże odkrywcze. Stanie się to możliwe, gdy wyprawa na Marsa zabierze ze sobą oddział telerobotów.

Marsjańskie teleroboty będą niewielkimi kołowymi lub gąsienicowymi pojazdami terenowymi, wyposażonymi w kamery telewizyjne, mikroskopy i inne przyrządy naukowe, wysięgniki oraz radio. Telerobot będzie kierowany z bazy na Marsie za pomocą krótkich fal radiowych lub aerosynchronicznego satelity komunikacyjnego. Zdalnie sterowany telerobot może poruszać się błyskawicznie, ponieważ opóźnienie w komunikacji radiowej na Marsie będzie znikome (sięgające 40 minut opóźnienie transmisji radiowych na drodze Mars-Ziemia-Mars wyklucza prowadzenie skutecznych operacji z użyciem telerobotów sterowanych z naszej planety). Podczas podróży roverem załoga

226 • CZAS MARSA

może rozmieszczać teleroboty w interesujących miejscach, na których zbadanie zabrakło astronautom czasu. Teleroboty nadają się również do badania miejsc dla człowieka zbyt małych lub zbyt niebezpiecznych, na przykład pieczar i wąskich szczelin.

Astronauci w bazie także mogą rozmieszczać teleroboty, wysyłając je na balonach w miejsca oddalone o tysiące kilometrów. (Spodziewamy się, że na Marsie balon może przelecieć 2000 km w ciągu jednej doby). Wprawdzie nie potrafimy kontrolować toru lecącego balonu, lecz mapy marsjańskich wiatrów, opracowane wcześniej dzięki takim misjom, jako MAP, pozwolą przewidzieć trasę gnanego wiatrem balonu z telerobo-tem. Podczas lotu pracują „oczy" telerobota - kamery telewizyjne, przekazujące obrazy atmosfery i powierzchni. Na ich podstawie personel w bazie postara się wybrać najlepszy moment i najciekawsze miejsce do lądowania telerobota. Po wylądowaniu może on albo uwolnić balon i na zawsze zostać w tym rejonie, albo - pod warunkiem że wiatr jest słaby - spróbować liną z kotwicą przymocować balon do okolicznych formacji skalnych. W takim przypadku telerobot opuści balon, a po parogodzinnym poznawaniu terenu na powrót połączy się z balonem, zwolni kotwicę i odleci zbadać jeszcze odleglejsze miejsce.

Latające teleroboty mogą pokonywać urwiste klify, kaniony czy mniejsze góry. Sterowane z bazy pierwszej marsjańskiej misji, przybliżą i uczynią dostępnymi badaniom naukowym rozległe obszary planety.

Choć umieszczenie telerobota w odległym punkcie planety jest najlepszym rozwiązaniem, gdy nie możemy wysłać tam ludzi, teleroboty są znacznie mniej skuteczne. Prawdziwe poznanie Marsa wymaga ludzkiej obecności na całej powierzchni planety. W jaki sposób to osiągnąć? Każdą nową misję Mars Direct można wysyłać na nowe lądowisko. Na krótką metę rozwiązanie to pozwoli zbadać różne obszary planety, lecz w dłuższej perspektywie jest nieefektywne z uwagi na pozbawienie dalszych wypraw szansy wykorzystania sprzętu i wyposażenia, pozostawionego w poprzedniej bazie. Po wysłaniu w różne miejsca paru pierwszych ekspedycji badawczych kolejne misje

ODKRYWANIE MARSA • 227

powinny lądować w jednym miejscu, wybranym na zbudowanie głównej bazy. Duża baza pomieści zapasy dla znacznie liczniejszej grupy astronautów, będzie też zapleczem dla rejsów pilotowanych marsjańskich statków o napędzie rakietowym. Dopiero one dadzą odkrywcom Czerwonej Planety prawdziwie globalne możliwości transportu. Do kwestii założenia i budowy bazy na Marsie powrócimy w kolejnym rozdziale.

Marsjański kalendarz

Kolonizatorom Marsa przyda się kalendarz, który odzwierciedla warunki fizyczne i pogodowe, panujące na Czerwonej Planecie. Wiemy, że na Ziemi l lutego w Minneapolis trzyma mróz, podczas gdy w Sydney jest środek lata, ale nic nam to nie mówi o warunkach na Marsie. Planowanie bezzałogowych misji na Marsa stawia nas przed problemem opracowania odpowiedniego marsjańskiego kalendarza i marsjańskiej rachuby czasu, dlatego warto już teraz zastanowić się nad jego rozwiązaniem.

Problem jest następujący: marsjański rok składa się z 669 marsjańskich dni (marsjański dzień nosi nazwę „soi"). Mar-sjańska doba ma 24 godziny, które w stosunku do godzin ziemskich są 1,0275 rażą dłuższe. Nie można podzielić roku na równe 12 miesięcy, gdyż orbita Czerwonej Planety jest eliptyczna, co powoduje znaczne zróżnicowanie długości marsjańskich pór roku.

W przeciwieństwie do kalendarza ziemskiego, wykorzystującego podział orbity Ziemi wokół Słońca na odcinki o równej długości, odpowiadające dniom, marsjański kalendarz poprawnie odzwierciedlający następstwo pór roku musi dzielić orbitę Marsa na odcinki, których końce tworzą ze Słońcem równe kąty, a nie na równe dni. Chęć zachowania użytecznego charakteru miesięcznej rachuby czasu oraz przyjęcie ziemskiej definicji miesiąca jako 1/12 części roku podsuwa pomysł zdefiniowania miesiąca na Marsie jako okresu, w którym planeta zakreśla wokół Słońca kąt 30°. Stosowanie

228 • CZAS MARSA

zarówno ziemskich, jak i nowych, zupełnie dowolnych nazw miesięcy wprowadziłoby sporo zamieszania. Istnieje jednak pewien zestaw nazw powszechnie znanych już od starożytności, nazw mających sens fizyczny nie tylko na Ziemi, lecz również na wszystkich planetach Układu Słonecznego - znaki zodiaku. Gwiazdozbiory zodiaku leżą w płaszczyźnie orbit niemal wszystkich planet. Geocentrycznie nastawieni starożytni astrolodzy nazwali miesiące zodiakalne od gwiazdozbiorów, w których przebywało Słońce widziane z Ziemi. Społeczność międzyplanetarna musi jednak przyjąć heliocentryczny punkt widzenia, dlatego wymyśliłem, by marsjańskie miesiące nazwać od gwiazdozbiorów zodiaku, w których Mars byłby widziany ze Słońca. Dzięki temu miesięczny znak zodiaku byłby widoczny wysoko na niebie w środku nocy w miesiącu noszącym jego nazwę. Naukowcy badający planety zwykli za początek planetarnego roku przyjmować wiosenną równonoc (na północnej półkuli na Ziemi równonoc przypada 21 marca, czyli pierwszego dnia astronomicznej wiosny). Zastoso-

Tab. 6.3. Rok marsjański.

MIESIĄC DŁUGOŚĆ W SOLACH POCZĄ- INTERESUJĄCE ZJAWISKA TEK MIESIĄCA SOLĄ...

Bliźnięta (Gemtnij 61 1 1 Bliźniąt, równonoc wiosenna

Rak (Cancer) 65 62

Lew (Leo) 66 127 24 Lwa, Mars w aphelium

Panna (Yirgo) 65 193 1 Panny, przesilenie letnie

Waga (Libra) 60 258

Skorpion (Scorpius) 54 318

Strzelec (Sagittarius) 50 372 1 Strzelca, równonoc jesienna

Koziorożec (Capricomus) 47 422 Początek pory burz pyłowych

Wodnik (Aguarius) 46 469 16 Wodnika,

Mars w peryhelium

Ryby (Pisces) 48 515 1 Ryb, przesilenie zimowe

Baran (Aries) 51 563 Koniec pory burz pyłowych

Byk (Taurus) 56 614 56 Byka, marsjański Sylwester

ODKRYWANIE MARSA • 229

Rys. 6.1. Marsjański areogator.

wanie się do tego zwyczaju sprawi, że marsjański rok rozpocznie się miesiącem Bliźniąt, natomiast ostatni będzie miesiąc Byka. Tabela 6.3 podaje pełną listę miesięcy w mar-sjańskim roku.

Rysunek 6.1 przedstawia areogator - wymyślony przeze mnie przyrząd, który pozwoli zamieniać daty ziemskie na mars-jańskie i na odwrót. Dla dowolnego momentu dziś, w przeszłości i przyszłości areogator podaje: marsjański miesiąc (co określa również porę roku), trwający podczas wybranego miesiąca ziemskiego (i vice uersa); wzajemne położenie i kąt tworzone przez obie planety względem Słońca; określa miejsce Marsa na ziemskim nieboskłonie (i vice uersa).

230 • CZAS MARSA

Powiedzmy, że interesuje nas położenie Marsa na przykład w roku 1997. Połóżmy jednogroszową monetę, przedstawiającą Marsa, na okręgu, który symbolizuje orbitę planety na punkcie oznaczonym „97", natomiast monetę pięciogroszową, przedstawiającą Ziemię, w miejscu oznaczonym jako początek stycznia - i już mamy przybliżone wzajemne położenie obu planet l stycznia 1997 roku. Na północnej półkuli Marsa wypada pierwsza połowa Lwa, czyli koniec wiosny. Aby udać się w przyszłość, przesuwamy do przodu o jeden punkt obie monety, jedno-groszówkę-Marsa i pięciogroszówkę-Ziemię. Skacząc z 4 stycznia 1997 roku o cztery punkty, dochodzimy do 4 lipca 1997 roku - tego dnia sonda Mars Pathfinder dotrze do Marsa. Na północnej półkuli Czerwonej Planety będzie wtedy początek Skorpiona, czyli schyłek lata. Przeskakując o trzy kolejne punkty - do listopada 1997 roku - trafiamy na początek Koziorożca, gdy rozpoczynają się burze pyłowe. Zatem zanim się zachmurzy, Mars Pathfinder ma szansę na cztery ziemskie miesiące dobrej pogody.

Na areogatorze zaznaczyłem punkty odpowiadające wszystkim latom pomiędzy 1993 a 2007. By poznać wzajemne położenie Marsa i Ziemi wcześniej lub później, wystarczy wpisać na diagram nowe daty, dodając lub odejmując odpowiednią wielokrotność 15 lat. Innymi słowy, rok 1975 nie różni się od 1990 roku, a także od lat 2005, 2020, 2035 itd. Dzieje się tak dlatego, że układ wzajemnych położeń obu planet i Słońca powtarza się w synodycznym cyklu 15 lat.

Aby dowiedzieć się, w którym gwiazdozbiorze należy szukać Marsa, trzeba połączyć Marsa i Ziemię prostą linią i wyobrazić sobie linię do niej równoległą, biegnącą od Słońca w tym samym kierunku. Na przykład w lutym 1993 roku, podczas marsjań-skiego Raka, linia przechodząca przez Słońce i równoległa do linii łączącej Marsa i Ziemię prowadziła ku gwiazdozbiorowi Bliźniąt. Ponieważ w porównaniu z rozmiarami Układu Słonecznego gwiazdy znajdują się praktycznie w nieskończonej odległości, więc Mars był wówczas z Ziemi widziany właśnie w gwiazdozbiorze Bliźniąt, natomiast obserwator na Marsie w tym samym czasie dostrzegłby Ziemię w gwiazdozbiorze Strzelca.

ODKRYWANIE MARSA • 231

Nietrudno spostrzec, że na orbicie Marsa oznaczenia nie są rozłożone równomiernie. Czerwona Planeta okrąża Słońce po orbicie eliptycznej, miejscami zwalniając lub przyspieszając. Dla zainteresowanych wykonaniem dokładniejszego areogato-ra podaję, że punkty na orbicie Marsa powinny znajdować się pod kątami: 0°; ±28,8°; ±56,5°; ±82,4°; ±106,2°; ±129,0°; ±149,6° i ±170,2°, licząc od peryhelium (peryhelium to punkt orbity Marsa położony najbliżej Słońca). Marsjańskie peryhelium wypada w środku Wodnika, znajduje się na linii łączącej Słońce i Ziemię l września.

Marsjański kalendarz nie będzie zupełny, jeśli nie opracujemy sposobu liczenia marsjańskich lat. Zauważmy, że początek Bliźniąt odpowiada zarazem położeniu Marsa mniej więcej l stycznia wszystkich (ziemskich) lat, różniących się od 2006 roku o całkowite wielokrotności 15 lat (1946, 1961, 1976, 1991, 2006, 2021...). Rok 1961 to najwcześniejszy taki rok, poprzedzający wysłanie pierwszych sond na Marsa, nadaje się więc na początek marsjańskiego kalendarza. Tabela 6.4 przedstawia parę ważniejszych dat w historii badań Marsa.

Podaję równanie, pozwalające dokładnie przeliczyć daty ziemskie na marsjańskie:

Tab. 6.4. Wielkie wydarzenia w historii Marsa.

WYDARZENIE

DATA ZIEMSKA

DATA MARSJAŃSKA

Początek kalendarza 1 stycznia 1961 1 Bliźniąt I

Przelot Marinera 4 15 lipca 1965 25 Wagi III

Przelot Marinera 6 31 lipca 1969 16 Strzelca V

Przelot Marinera 7 5 sierpnia 1969 20 Strzelca V

Wejście Marinera 9 na orbitę 14 listopada 1971 20 Ryb VI

Lądowanie Marsa 2 i Marsa 3 2 grudnia 1971 38 Ryb VI

Wejście Yikinga 1 na orbitę 19 czerwca 1976 41 Lwa IX

Lądowanie ViJcinga I 20 lipca 1976 6 Panny IX

Lądowanie Viktnga 2 3 września 1976 49 Panny IX

Zniknięcie sondy

Mars Obseruer 21 sierpnia 1993 16 Wagi XVII

232 • CZAS MARSA

rok marsjański = l +8/15 (rok ziemski - 1961).

Przed skorzystaniem z równania trzeba wyrazić ziemską datę w postaci dziesiętnej (na przykład l lipca 1973 to 1973,5), a otrzymana data marsjańska będzie również w postaci dziesiętnej. Dla l lipca 1973 roku otrzymamy 7,667, co oznacza marsjański rok VII, natomiast pozostała część ułamkowa 0.667 mówi o miesiącu i solu: 0,667 pomnożone przez 669 (liczba dni w marsjańskim roku) daje soi 446; z tabeli 6.3 wynika, że jest to 25 soi Koziorożca.

Jestem głęboko przekonany, że dysponujemy obecnie technologiami, umożliwiającymi wysłanie ludzi na Marsa w ciągu 10 lat od momentu podjęcia decyzji o realizacji programu. Gdy piszę te słowa, jest rok 1996. Gdybyśmy zdołali wyekspediować załogową wyprawę na Marsa w październiku 2007 roku, dotarłaby na Czerwoną Planetę 9 kwietnia 2008 roku. W marsjańskim kalendarzu byłby to 15 soi Lwa XXVI, środek wiosny na północnej półkuli. Lądowanie wypadłoby podczas najlepszej możliwej pogody, przy słabym wietrze i przejrzystym niebie.

ROZDZIAŁ 7

BUDOWA BAZY NA MARSIE

Celem pierwszych załogowych wypraw na Marsa będzie zbadanie planety oraz uzyskanie odpowiedzi na pytanie, czy kiedykolwiek istniało na niej życie. Z czasem Mars zostanie dokładnie zbadany, poznamy też odpowiedź na pytanie dotyczące marsjańskiego życia (pozytywną lub negatywną). Wtedy na pierwszy plan wysunie się kwestia, czy na Czerwonej Planecie kiedyś pojawi się życie. Mars wyróżnia się spośród innych planet Układu Słonecznego: z tego oraz następnego rozdziału dowiemy się, że jako jedyna planeta w Układzie Słonecznym -poza Ziemią - ma pełną gamę materiałów i źródeł energii, umożliwiających ludziom życie na swej powierzchni oraz rozwój nowej cywilizacji.

Mars nie stanowi wyłącznie obiektu badań naukowych czy celu wypraw odkrywczych; jest światem, w porównaniu z którym wszystkie inne znane ciała niebieskie Układu Słonecznego wydają się jedynie posępnymi i nędznymi pustyniami. Mars ma zasoby naturalne, które pozwolą osadnikom uprawiać rośliny, produkować metale i tworzywa sztuczne oraz wytwarzać duże ilości energii. Wszystkie pierwiastki wykorzystywane na Ziemi występują również na Marsie. Warunki marsjańskiego środowiska - promieniowanie, natężenie światła słonecznego, różnica temperatur między dniem a nocą - nie wykluczają

234 • CZAS MARSA

osadnictwa na powierzchni Czerwonej Planety. Lokalne bogactwa naturalne pozwolą zadomowić się na Marsie nie tylko garstce astronautów, lecz wielomilionowemu i dynamicznemu społeczeństwu kolonizatorów, którzy w nowym świecie stworzą nowy styl życia.

Dopóki nie dysponujemy odpowiednimi technologiami eksploatacyjnymi, obecność zasobów naturalnych nie jest równoznaczna z posiadaniem przydatnych materiałów. Do realizacji planów ludzkiego osadnictwa, lub choćby planu zbudowania jakiejkolwiek stałej placówki naukowej, konieczne będzie opracowanie na Marsie całego zestawu nowych technologii utylizacji bogactw naturalnych. Nie obejdzie się więc bez solidnej bazy służącej do prowadzenia intensywnych prac badawczych z zakresu inżynierii lądowej, chemicznej i przemysłowej. Z bazy operowałyby marsjańskie statki z napędem rakietowym o globalnym zasięgu, niezwykle przydatne do poszukiwań zasobów mineralnych i obszarów interesujących z naukowego punktu widzenia.

Po początkowych wyprawach badawczych trzeba będzie wybrać miejsce optymalne do rozpoczęcia budowy; zakończy się pierwsza, eksploratorska faza programu marsjańskiego i zacznie faza druga - budowa bazy. Pierwsze misje Mars Direct będą wytwarzać paliwo i tlen z marsjańskiego powietrza. Podczas budowy bazy ten elementarny zakres wykorzystania lokalnych zasobów nie wystarczy, więc załoga stałej bazy będzie musiała opanować różne techniki przekształcania marsjań-skich surowców w użyteczne materiały. Założenie większej bazy na Czerwonej Planecie będzie wymagać znajomości metod otrzymywania wody i uprawy roślin w szklarniach, produkcji materiałów ceramicznych, szkła, metalu i tworzyw sztucznych, budowy modułów mieszkalnych i konstrukcji nadmuchiwanych oraz metod wytwarzania wszelkich potrzebnych materiałów, narzędzi i konstrukcji. Wprawdzie w początkowej fazie poznawania Marsa wystarczą załogi czteroosobowe, zamieszkujące małe obozy i podróżujące po rozległych marsjańskich przestrzeniach, budowa bazy nie obejdzie się jednak bez wprowadzenia podziału pracy w mniej więcej pięćdziesięcio-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 235

osobowej ekipie, dysponującej różnorodnym sprzętem i źródłami energii. Krótko mówiąc, celem etapu budowy bazy jest opracowanie i opanowanie marsjańskich technik produkcji pożywienia, ubrań, schronień i wszelkich pozostałych rzeczy, niezbędnych podczas kolonizacji Czerwonej Planety.

Założenie bazy

Plan Mars Direct przewiduje, że kolejne załogi, co dwa lata docierające na Marsa, będą mieszkać w placówkach, które znajdują się w różnych miejscach, co umożliwi poznanie planety oraz, być może, kolonizację tych obszarów. Pierwsza stała baza marsjańska stanie w miejscu jednej z takich misji. Po dokonaniu wyboru najkorzystniejszej lokalizacji będą tam lądować wszystkie następne statki kosmiczne. Zgodnie z planem Mars Direct załoga leci z Ziemi na Marsa w module mieszkalnym, zostawianym na powierzchni planety. W rezultacie każda kolejna misja pozostawi na Marsie moduł mieszkalny, element wzbogacający infrastrukturę przyszłej marsjańskiej bazy. Moduł mieszkalny, umieszczony na lądującym w pobliżu stałej bazy statku, może zostać wyposażony w koła przymocowane do nóg podwozia i za pomocą lin i kołowrotu przetoczony oraz połączony z bazą bezpośrednio lub poprzez nadmuchiwane tunele. Alternatywnym rozwiązaniem byłoby skonstruowanie modułu mieszkalnego drugiej generacji, wyposażonego w nogi, pozwalające wykonywać ruchy przegubowe nie tylko w kierunku w górę i w dół (co potrafią wszystkie statki kosmiczne), lecz także na boki - w ten sposób po powierzchni planety chodziłyby sześcionożne moduły mieszkalne, niczym Marsjanie w Wojnie światów H. G. Wellsa! W każdym razie, dzięki takim technologiom może szybko powstać większa baza marsjańska jako sieć wzajemnie połączonych modułów mieszkalnych statków Mars Direct, przypominających puszki z tuńczykiem.

Astronauci pierwszych wypraw odkrywczych muszą się zadowolić mieszkaniem w „puszkach tuńczyka". Stała baza na Marsie, do której przybędą grupy naukowców oraz przyszłych

236 • CZAS MARSA

kolonizatorów, powinna jednak wyglądać inaczej. Wybudowanie większych konstrukcji mieszkalnych będzie jednym z pierwszych zadań, którego realizacja przyczyni się do rozwoju samej bazy i umożliwi wysłanie na Marsa następnych grup ludzi. Zgodnie z zasadą wykorzystywania lokalnych zasobów, dzięki której wysłanie ludzi na Marsa stanie się w ogóle możliwe, do budowy dużych konstrukcji powinny zostać użyte mars-jańskie materiały.

Krypty z cegły

W serii prac opublikowanych pod koniec lat osiemdziesiątych inżynier Bruce MacKenzie szczegółowo przeanalizował ów problem i doszedł do wniosku, że optymalnym lokalnym materiałem do budowy na Marsie pierwszych większych konstrukcji jest cegła.l

Na pierwszy rzut oka propozycja wykorzystania równie starej i nieskomplikowanej technologii wydaje się dość zaskakująca, lecz w istocie ma solidne uzasadnienie. Wytwarzanie cegieł jest stosunkowo proste, dlatego z nich właśnie zbudowano część najstarszych ziemskich miast. Być może z cegieł powstaną też pierwsze ludzkie osady na Marsie. Do produkcji cegieł potrzebujemy drobno zmielonej ziemi, którą moczymy i, lekko ściskając, umieszczamy w formie odlewniczej, następnie suszymy i wypalamy. Temperatura wypalania nie musi koniecznie być bardzo wysoka - na Ziemi wciąż jeszcze stosowane są cegły osuszane na słońcu. Zupełnie przyzwoite cegły powstają w piecu o temperaturze 300°C, zwłaszcza jeśli do błota dodamy resztki materiału poprawiającego spoistość mieszaniny, na przykład skrawki tkaniny spadochronowej. (Przywodzi to na myśl biblijny opis Egipcjan, wytwarzających cegły z mieszaniny słomy i błota. Znana, od czasów starożytnych metoda sta-

1 B. MacKenzie: Building Mars Habitats Using Local Materials, AAS 87-216. [W:] C. Stoker (red.): The Case for Mars III, tom 74, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego, Kalifornia 1989.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 237

nowi jeden z najwcześniejszych przykładów produkcji kompozytów). Na Marsie bez trudu można rozgrzać piec do 900°C (temperatury stosowanej współcześnie do produkcji cegieł najwyższej jakości), wykorzystując palenisko ze zwierciadłem słonecznym lub ciepło odpadowe z reaktora jądrowego bazy. Co prawda proces produkcyjny wymaga obecności wody, lecz w poprawnie skonstruowanym piecu prawie całą potrzebną wodę będzie można odzyskać z pary wodnej, która powstanie podczas osuszania cegieł w temperaturze 200°C przed rozpoczęciem wypalania. Prawie wszędzie na Marsie występuje pod dostatkiem doskonały materiał do produkcji cegieł: drobno zmielony, bogaty w żelazo, gliniasty pył, pokrywający powierzchnię planety warstwą grubości co najmniej kilkudziesięciu centymetrów. Poza tym po zmieszaniu z wodą rumiany marsjański pył świetnie nadaje się na zaprawę murarską, służącą do zlepiania cegieł. Na podstawie prowadzonych pod koniec lat osiemdziesiątych w firmie Martin Marietta doświadczeń z wykorzystaniem substancji imitującej glebę z Marsa inżynier Robert Boyd stwierdził, że w wyniku bardzo nieskomplikowanego procesu, wymagającego jedynie zmoczenia i osuszenia marsjańskiej ziemi, powstaje materiał, zwany duri-kretem, o wytrzymałości wynoszącej ponad 50% wytrzymałości ziemskiego betonu.2

Zgodnie z wynikami pomiarów, wykonanych przez sondę Yiking, zawartość w marsjańskiej glebie wapnia (około 5%) i siarki (2,9%) jest bardzo wysoka, natomiast analiza pochodzących z Marsa meteorytów SNC prowadzi do wniosku, że na Czerwonej Planecie pierwiastki te występują w postaci gipsu (CaSO4 • 2H2O). Na Ziemi gips stosowany jest do robienia tynku oraz, po wypaleniu, wapna. Po dodaniu wapna do zaprawy murarskiej powstaje standardowy cement portlandzki o dużo większej wytrzymałości na rozciąganie.

2 R. Boyd, P. Thompson i B. Clark: Duncrete and Composites Construction on Mars. AAS 87-213. [W:] C. Stoker (red ): The Case for Mars III, tom 74, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Die-go, Kalifornia 1989.

238 • CZAS MARSA

Każdy materiał konstrukcyjny charakteryzują dwa rodzaje wytrzymałości: wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na ściskanie. Na przykład liny i przewody mają zwykle dużą wytrzymałość na rozciąganie, a brak im wytrzymałości na ściskanie; natomiast stalowy dźwigar jest zarazem bardzo wytrzymały na rozciąganie i na ściskanie. Z kolei wykonane z cegieł ściany i kolumny charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością na ściskanie oraz niewielką odpornością na rozciąganie: cegły bardzo trudno zgnieść, lecz prawie zupełnie się nie nadają do łączenia elementów. A jednak konstrukcje z cegieł i zaprawy zbudowane trzy tysiące lat temu w starożytnym Egipcie wciąż stoją niewzruszone. Na Marsie budowle z cegieł będą równie trwałe, jeśli marsjańscy architekci zastosują się do głównej i uniwersalnej zasady starożytnej architektury: konstrukcje z cegieł muszą być ściśnięte.

Budowę hermetycznej konstrukcji na Marsie zaczynamy od wykopania rowu, wewnątrz którego stawiamy kryptę w stylu rzymskim, czy, jeszcze lepiej, szereg krypt lub może nawet atrium w stylu rzymskim (rys. 7.1). Krypty przykrywamy warstwą ziemi, powodującą znaczne obciążenie skierowane w dół, i dopiero wtedy wprowadzamy pod wyższym ciśnieniem powietrze do oddychania (wytworzone albo w instalacjach chemicznych do produkcji tlenu, znanych z rozdziału 6, albo w cieplarniach, opisanych w dalszej części niniejszego rozdziału). Grubość warstwy gleby zależy od tego, jaką wartość ciśnienia powietrza założono dla wnętrza krypty. Przy wartości 5 psi (3,5 psi tlenu i 1,5 psi azotu, jak na stacji Skylob), która odpowiada standardowemu marsjańskiemu powietrzu, zaproponowanemu przeze mnie, na krypty z dołu będzie wywierana siła, zmierzająca do wyrzucenia ich w górę, o przybliżonej wartości 3,5 tony na m2. Gdy przyjmiemy, że średnia gęstość marsjań-skiej gleby jest cztery razy większa od gęstości wody, warstwa mułu o grubości 2,5 m nad kryptami wystarczy, by zapewnić hermetyczność konstrukcji. (Nie zapominajmy, że marsjańska grawitacja wynosi zaledwie 0,38 siły ciążenia na Ziemi. W warunkach ziemskiej grawitacji wystarczyłaby warstwa gleby grubości tylko l m). Dla osób żyjących w podobnej podpo-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 239

iii

Rys. 7.1. Pojedyncze lub szeregowe (a) krypty w stylu rzymskim, a nawet przestrzenne konstrukcje atrialne (b), mogą pełnić rolę dużych podpo-wierzchniowych hermetycznych modułów mieszkalnych na Marsie. (Projekt: B. MacKenzie, 1987).

240 • CZAS MARSA

wierzchniowej konstrukcji tak gruba warstwa ziemi stanowi zarazem potężną osłonę przed promieniowaniem: obniży otrzymywane dawki promieniowania kosmicznego do mniej więcej ziemskiego poziomu. Ponadto pokrywa gleby zapewni doskonałą izolację termiczną, dzięki której mieszkańcy podpo-wierzchniowej budowli właściwie nie odczują dużych dobowych wahań temperatury, jak również spowoduje znaczne zmniejszenie zużycia energii na ogrzewanie modułu mieszkalnego. Z przykrytych warstwą gleby konstrukcji z cegieł będzie się zapewne ulatniać powietrze (choć bardzo powoli). Rozwiązaniem problemu jest cienka warstwa szczeliwa, wykonanego ze sztucznego tworzywa, rozpylona na ścianach bądź przyczepiona jak tapeta. Powolne ulatnianie powietrza z czasem samo powinno ustać, ponieważ stosunkowo wilgotne powietrze wydostające się z konstrukcji powoduje powstawanie w okolicznej glebie, na drodze dyfuzji, zmarzliny lub lodu. Przy zastosowaniu opisanych technik, stosunkowo prostych i znanych od czasów starożytnych, budowa na Marsie hermetycznych konstrukcji o rozmiarach podmiejskich centrów handlowych staje się możliwa (rys. 7.1).

Dom pod kopułą

Choć w porównaniu z modułami mieszkalnymi Mars Direct, mającymi kształt puszek z tuńczykiem, podpowierzchniowe budowle, przypominające centra handlowe, są niewątpliwie sporym osiągnięciem (moja nastoletnia córka pewno skakałaby z radości, mogąc mieszkać w centrum handlowym), życie na Marsie nie musi się do nich ograniczać. Nie musimy za-grzebywać się w ziemi ze strachu przed promieniowaniem (jak na Księżycu), ponieważ marsjańska atmosfera jest wystarczająco gęsta, by zabezpieczyć ludzi żyjących na powierzchni przed konsekwencjami rozbłysków słonecznych. Będziemy mogli przebywać na powierzchni planety; nawet podczas budowy bazy można wykorzystać duże, nadmuchiwane konstrukcje, wykonane z przezroczystego tworzywa sztucznego

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 241

i osłaniane przez cienkie kopuły z mocnego tworzywa sztucznego, odpornego na ścieranie i nie przepuszczającego promieniowania nadfioletowego. Powstałyby w ten sposób duże przestrzenie, nadające się do zamieszkania oraz uprawy roślin. Należy zwrócić uwagę, że na Księżycu - pomijając nawet kwestię rozbłysków słonecznych i cyklu dobowego, trwającego ziemski miesiąc3 - proste, przezroczyste konstrukcje powierzchniowe byłyby niewskazane, gdyż powodowałyby powstawanie wewnątrz zbyt wysokich temperatur. Natomiast na Marsie silny efekt cieplarniany w tego rodzaju konstrukcjach prowadzi do wytworzenia się pod kopułami klimatu umiarkowanego.

W trakcie budowy bazy można używać kopuł o średnicy do 50 m, z wewnętrzną atmosferą 5 psi, odpowiednią dla ludzi. Kopuła wykonana z mocnego tworzywa sztucznego, takiego jak kevlar (granica plastyczności tego tworzywa wynosi 200 000 psi -jest ono zatem dwukrotnie wytrzymalsze od stali), mimo grubości zaledwie l mm trzykrotnie przekraczałaby wymaganą wytrzymałość na rozerwanie i ważyłaby tylko 8 ton (łącznie z częścią podpowierzchniową), przy czym dalsze 4 tony przypadałyby na niehermetyczną osłonę z pleksiglasu. (Prawdopodobieństwo, że kopuła modułu mieszkalnego wykonana z wytrzymałego kevlaru spadnie, powodując katastrofę, jest bardzo małe. Po przestrzeleniu kopuły o średnicy 50 m kulą o dużym kalibrze upłynęłyby dwa tygodnie, zanim z wnętrza ulotniłoby się całe powietrze - starczyłoby więc czasu na naprawę). W początkowym okresie osadnictwa gotowe kopuły przywożono by z Ziemi. Z czasem na Marsie rozpocznie się produkcja kopuł, i to coraz większych (masa hermetycznej kopuły rośnie proporcjonalnie do sześcianu promienia, natomiast masa nieherme-tycznej osłony rośnie proporcjonalnie do kwadratu promienia, a zatem kopuła o średnicy 100 m ważyłaby 64 tony i wymagałaby 16-tonowej osłony z pleksiglasu).

3 Ponieważ Księżyc krąży dokoła Ziemi w ten sposób, że zawsze jest zwrócony ku niej tą samą półkulą, księżycowa doba trwa tyle, ile wynosi czas obiegu Księżyca wokół naszej planety (przyp. red.).

242 • CZAS MARSA

Głównym problemem, wiążącym się z użyciem kopuł, jest kwestia fundamentów. Elastyczny pojemnik z gazem pod ciśnieniem przybiera w sposób naturalny kształt kuli, by równomiernie rozmieścić zawartość w całej objętości. Kształt kuli jest prosty i sensowny, stwarza jednak bardzo poważne problemy, gdyż budowa sferycznej kopuły wymaga wykonania wielkich prac ziemnych. Wyobraźmy sobie, że chcemy zakopać piłkę w piasku na plaży tak, by jej dolna połowa była zagrzebana w ziemi, a górna - wystawała. Trzeba w tym celu wykopać dziurę o objętości dolnej połowy piłki. Schowanie w piasku połowy piłki jest trywialnie proste, ale w przypadku wznoszenia na Marsie kopuły o średnicy 50 m zadanie wymagałoby wielkiego wysiłku. Tym bardziej że po wykopaniu odpowiednio dużej jamy i złożeniu w niej sferycznej kopuły konieczne byłoby dodatkowo umieszczenie wykopanej ziemi z powrotem w pierwotnym miejscu, w dolnej półkuli wnętrza kopuły. Chociaż otrzymalibyśmy w ten sposób ogromną przestrzeń, o średnicy 50 m i wysokości 25 m (rys. 7.2a) -niestety, wymagałoby to wydobycia, a potem umieszczenia z powrotem około 260 000 ton ziemi. Niewykluczone, że, szczęśliwym trafem, uda się znaleźć naturalny krater o potrzebnych rozmiarach; jest to jednak bardzo mało prawdopodobne, zwłaszcza że krater ów musiałby się znajdować w miejscu wybranym na stałą bazę, a poza tym jeden taki krater to za mało.

Pewnym rozwiązaniem problemu jest konstrukcja o różnym promieniu krzywizny górnej i dolnej półkuli. Umieśćmy dzie-sięciogroszówkę na pięćdziesięciogroszówce, a przekonamy się, że moneta pięćdziesięciogroszowa ma większy promień od dziesięciogroszowej, a co za tym idzie - również większy promień krzywizny. Łuk zakreślany przez dolną połowę pięćdzie-sięciogroszówki jest znacznie bardziej spłaszczony niż łuk zakreślany przez dolną połowę dziesięciogroszówki. A zatem pod-powierzchniowa część kopuły może być fragmentem sfery o promieniu większym od półkuli górnej (rys. 7.2b), co pozwoli ograniczyć prace ziemne. Gdyby na przykład półkula górna miała średnicę 50 m (promień krzywizny wynosi wówczas 25 m),

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 243

Rys. 7.2. Metody budowy kopuł na powierzchni Marsa: (a) zakopanie dolnej półkuli kopuły sferycznej; (b) zakopanie dolnej półkuli o promieniu krzywizny dwukrotnie większym od promienia krzywizny górnej półkuli kopuły; (c) zakotwiczenie kopuły typu „namiot"; (d) sferyczny kompleks mieszkalny, który znajduje się całkowicie nad powierzchnią planety, zawierający pokłady, zawieszone na kablach z kevlaru {rys. Michael Carroll).

promień krzywizny podpowierzchniowej części tej kopuły mógłby wynosić 50 m; w ten sposób zamiast dziury w ziemi w kształcie półkuli o promieniu 25 m, wystarczyłby płytki basen o głębokości 3,35 m, a ilość wykopanej marsjańskiej gleby zmniejszyłaby się z 260 000 do 6500 ton. Wersja ta jest bez wątpienia bardziej praktyczna - gdybyśmy dysponowali sprzętem, który w godzinę może usunąć ziemię, wypełniającą typową wywrotkę (20 m3), na wykonanie całej pracy wystarczyłoby 10 ośmiogodzinnych zmian.

244 • CZAS MARSA

Kolejne rozwiązanie to kopuła w postaci półkolistego namiotu - wystarczy zakopać jego brzeg w kształcie koła (rys. 7.2c). I tu nie obeszłoby się bez konieczności usunięcia dużej ilości ziemi - kopuła o średnicy 50 m, zawierająca powietrze o ciśnieniu 5 psi, byłaby poddana działaniu skierowanej ku górze siły 6926 ton, zmierzającej do oderwania kopuły od marsjańskiej powierzchni; czyli 44 tony na metr obwodu. Przymocowanie brzegu kopuły-namiotu do pasa ziemi szerokości 3 m, rozciągającego się wokół całego obwodu namiotu, oznacza - przy założeniu, że marsjańska gleba ma czterokrotnie większą gęstość od wody - konieczność wykonania wykopu głębokości 10 m, gdyż dopiero wtedy namiot będzie zabezpieczony przed oderwaniem od ziemi. Osadzenie namiotu wymaga wykopania rowu szerokości 3 m, głębokości 10 m i o obwodzie 157 m, zakopania brzegu namiotu i wypełnienia na powrót ziemią rowu nad zakotwiczeniem. Wykopanie takiego rowu wiąże się z koniecznością usunięcia 18 800 ton marsjańskiej ziemi. Ten sam efekt można jednak osiągnąć przy mniejszym nakładzie pracy: wykopując stosunkowo wąski, płytki rów w kształcie okręgu (powiedzmy, szerokości l m i głębokości 3 m - co oznacza konieczność usunięcia 1900 ton gleby), mocując brzeg namiotu do ziemi długimi, głęboko wbitymi palami owiniętymi drutem kolczastym. W środku pali biegłyby rury do przesyłania w dół pary wodnej, która po zamarznięciu pod powierzchnią utworzyłaby bardzo mocny pierścień zmarzliny - doskonały fundament kopuły.

Czwarta możliwość polega wprawdzie na wykorzystaniu sferycznej kopuły, lecz nie zakopanej w ziemi (rys. 7.2d). Mogłaby ona zawierać pokłady podwieszone do kabli z kevlaru, które opasywałyby kopułę na różnych równoleżnikach. W sferycznej kopule o średnicy 50 m pierwszy pokład byłby zawieszony 4 m nad dołem sfery, następny 7 m, potem 10 m, 13 m itd.; w sumie 15 pokładów co 3 m, czyli ostatni znajdowałby się 14 m nad powierzchnią planety. Taka kopuła zawierałaby bardzo dużą powierzchnię mieszkalną - w przybliżeniu 21 000 m2. Względy konstrukcyjne nakazują nie obciążać zbytnio budowli; lekkie materiały, takie jak wytłumiające dźwięk pianki z tworzyw sztucznych, nadawałyby się do podziału dostępnej

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 245

przestrzeni na mieszkania, laboratoria, bary, sale gimnastyczne i konferencyjne oraz inne pomieszczenia. Wejście do kopuły z powierzchni planety prowadziłoby przez tunel i śluzę powietrzną, znajdującą się w „południowym biegunie" sfery. Zwały ziemi wokół podstawy kopuły pomogłyby rozłożyć odpowiednio ciężar kopuły. Ustawienie kolumny z cegieł, biegnącej przez środek sfery, poprawi udźwig pokładów oraz ułatwi zastosowanie wind. Wolno stojąca sfera, sięgająca tak wysoko nad powierzchnię Marsa, musiałaby być osłaniana przez ni-skociśnieniową sferę z pleksiglasu, znacznie większą niż w innych rozwiązaniach, choć ważącą zaledwie 16 ton.

Jak widać, umieszczenie na powierzchni Marsa dużych kopuł mieszkalnych wymaga mistrzowskiego opanowania nowatorskich, nietrywialnych technik inżynierii lądowej w zupełnie nowym otoczeniu. Dlatego spodziewam się, że początkowo mar-sjańska architektura zostanie zdominowana przez proste, podziemne krypty z cegieł w rzymskim stylu. Gdy już jednak opanujemy odpowiednie technologie, będziemy mogli postawić konstrukcje mieszkalne w kształcie kopuł o średnicach 50-100 m; uzyskamy w ten sposób dużą powierzchnię mieszkalną (wewnątrz kopuł będzie można chodzić w koszulach z krótkim rękawem) i gospodarczą (uprawa roślin). W przypadku kopuł częściowo zagrzebanych pod powierzchnię planety (rys. 7.2 a, b, c) ludzie będą żyli w konwencjonalnych (choć pozbawionych dachów) domach, wykonanych z cegły. Lżejsze konstrukcje kopuł posłużą jako tereny rolnicze, ponieważ roślinom wystarczy atmosfera o ciśnieniu 0,7 psi. Wydaje się, że właśnie z uwagi na mniejsze wymagania co do ciśnienia i bezpieczeństwa, pierwsze marsjańskie kopuły zostaną przeznaczone pod szklarniową uprawę roślin; dopiero później przekształcą się w przestrzenie dostępne marsjańskim osadnikom.

Produkcja tworzyw sztucznych

Pamiętamy, jak w Absolwencie przyjaciel rodziny wyjawił Du-stinowi Hoffmanowi, że we współczesnym świecie najważniej-

246 • CZAS MARSA

sze materiały są wykonane z plastiku, więc powinien zająć się czym prędzej tworzywami sztucznymi, a wówczas będzie mógł spokojnie patrzeć w przyszłość. Na Marsie nie brakuje węgla oraz wodoru i tak jak na Ziemi można tam rozpocząć produkcję tworzyw sztucznych.

Kluczem do produkcji tworzyw sztucznych na Marsie jest synteza etylenu, którą można przeprowadzić jako rozszerzenie odwróconej reakcji przemiany woda-gaz (RWGS), omówionej w rozdziale 6 podczas przedstawiania metody otrzymywania tlenu. Oto reakcja RWGS:

H + CO

H2O

CO.

Dzięki niej otrzymamy potrzebne ilości tlenu, doprowadzając do reakcji marsjańskiego atmosferycznego dwutlenku węgla z wodorem, pozbywając się tlenku węgla i wykonując elektrolizę powstałej wody; następnie tak uzyskany tlen należy przechować, a wodór ponownie wykorzystać do produkcji większych ilości wody i tlenu itd. Rozważmy nieco inny sposób przeprowadzenia tych reakcji - dostarczmy wodór i dwutlenek węgla w stosunku ilościowym 3:l zamiast 1:l, jak w równaniu (1), czyli następującą reakcję:

6H2 + 2CO2 -> 2H2O + 2CO + 4H2.

(2)

(Zdaję sobie sprawę, że obie strony tego równania można podzielić przez dwa; pozwólcie mi jednak zachować taką jego postać). Wodę powstałą w wyniku reakcji (2) usuwamy z reaktora i skraplamy. Przeprowadzamy elektrolizę lub nie, zależnie od tego, czy bardziej potrzebujemy wody, czy osobno wodoru i tlenu. Główna różnica polega jednak na wykorzystaniu pozostałych produktów, już po usunięciu wody. Mieszaninę tlenku węgla i wodoru możemy przenieść do innego reaktora, by w obecności katalizatorów zawierających żelazo poddać ją następującej reakcji:

2CO + 4H

C2H4

2H2O.

(3)

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 247

Bingo! C2H4 to właśnie etylen, wspaniałe paliwo, a zarazem klucz do rozwoju przemysłu petrochemicznego i produkcji tworzyw sztucznych. Reakcja (3) jest silnie egzotermiczna i -podobnie jak omawiana w rozdziale 6 reakcja Sabatiera, prowadząca do wytworzenia metanu - może służyć jako źródło energii cieplnej, potrzebnej do zainicjowania i podtrzymywania endotermicznej reakcji RWGS. Ponadto reakcja (3) charakteryzuje się wysoką stałą równowagi, nadaje się więc jako efektywna metoda otrzymywania etylenu. Układ wykorzystujący tę reakcję, choć bardziej złożony niż w przypadku reakcji Sabatiera, ma sporo zalet.

Po pierwsze, cząsteczka etylenu zawiera tylko dwa atomy wodoru na jeden atom węgla, podczas gdy metan składa się z czterech atomów wodoru i jednego atomu węgla. Stosowanie jako paliwa etylenu zamiast metanu oznacza zmniejszenie o połowę zapotrzebowania na wodór przywożony z Ziemi lub wydobywany pod postacią wody spod powierzchni Marsa.

Po drugie, przy ciśnieniu l atmosfery temperatura wrzenia etylenu wynosi -104°C, czyli jest znacznie wyższa od -183°C, temperatury wrzenia metanu. Przy ciśnieniu paru atmosfer etylen można bez konieczności zamrażania przechowywać w średnich marsjańskich temperaturach; natomiast temperatura krytyczna dla metanu jest dużo niższa od temperatury marsjańskich nocy. W przeciwieństwie do metanu etylen nadaje się do przechowywania na Marsie bez stosowania zamrażarki kriogenicznej. Zmniejsza to mniej więcej o połowę zapotrzebowanie na energię ze strony instalacji wytwarzającej paliwo etylen/tlen zamiast metan/tlen oraz ogranicza grubość izolacji zbiorników z paliwem etylenowym (a także ułatwia obchodzenie się z nim).

Po trzecie, gęstość ciekłego etylenu jest większa o 50% w stosunku do ciekłego metanu, co pozwoli na stosowanie mniejszych i lżejszych zbiorników paliwowych w marsjańskich pojazdach startujących (MAY) i roverach terenowych przystosowanych do spalania etylenu. Po czwarte, etylen służy nie tylko jako źródło energii dla rakiet, roverów czy prac spawalniczych; ma także inne zastosowania: jako środek znieczulający,

248 • CZAS MARSA

czynnik przyspieszający dojrzewanie owoców oraz czynnik skracający czas biologicznego spoczynku nasion. Etylen we wszystkich zastosowaniach będzie przydatny podczas budowy marsjańskiej bazy.

Wszystkie te możliwości wykorzystania etylenu bledną jednak zupełnie w porównaniu z fundamentalną rolą, jaką odgrywa on w wielu procesach produkcji polietylenu, polipropylenu i innych tworzyw sztucznych. Można je wytwarzać w postaci folii lub włókien i używać do budowy sporych nadmuchiwanych konstrukcji (m.in. kopuł mieszkalnych), jak również wyrobu ubrań, toreb, materiałów izolacyjnych, opon i rozmaitych innych rzeczy. Takie tworzywa sztuczne mogą mieć formę sztywnej substancji o dużej gęstości, służącej do produkcji butelek i lekkich pojemników (zarówno małych, jak i ogromnych), zastawy stołowej, narzędzi, aparatury medycznej oraz niezliczonych małych, lecz potrzebnych rzeczy, takich jak pudełka, sztywne konstrukcje różnej wielkości i o różnym przeznaczeniu, w postaci przezroczystej i nieprzezroczystej. Opracowanie produkcji tworzyw sztucznych na bazie etylenu sprawi, że lista dostępnych materiałów nie ma końca - smary, szczeliwa, kleje, taśmy i wiele innych. Opanowanie marsjańskich technologii produkcji tworzyw sztucznych z etylenu będzie miało bardzo poważne konsekwencje, gdyż otworzy przed osadnikami na Czerwonej Planecie nowe możliwości.

Tworzywa sztuczne są najważniejszymi materiałami we współczesnym świecie. Wszechobecność węgla i wodoru pozwoli rozwinąć ich produkcję na Marsie. To jeszcze jeden argument przeciwko tezie, że bardziej od Marsa do kolonizacji nadaje się Księżyc. Na Księżycu węgiel i wodór występują w ilościach śladowych, rzędu jeden atom na milion, czyli mniej więcej równie często jak złoto w wodzie morskiej. Z tego względu na Księżycu nigdy nie będzie warunków do taniej produkcji tworzyw sztucznych - przez długi okres po przybyciu człowieka na Srebrny Glob tworzywa sztuczne byłyby tam dosłownie na wagę złota.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 249

Wytwarzanie szklą i materiałów ceramicznych

Powierzchniowa warstwa marsjańskiej gleby zawiera też minerały ilaste, których niczym nie ograniczona dostępność uczyni wytwarzanie materiałów ceramicznych na naczynia i podobne cele zadaniem bardzo prostym. Z pomiarów wykonanych przez ładowniki Yiking l i Yiking 2 wynika, że najpo-wszechniej występującym składnikiem marsjańskiej gleby jest dwutlenek krzemu, SiO2, którego zawartość w próbkach wyniosła wagowo aż około 40%. Dwutlenek krzemu jest podstawowym składnikiem szkła, a więc możliwa byłaby na Marsie produkcja szkła z zastosowaniem metod topienia piasku, zbliżonych do technologii znanych na Ziemi od tysięcy lat. Niestety, marsjańskiemu hutnictwu szkła przeszkadzać będzie to, że po dwutlenku krzemu kolejnym związkiem (pod względem obfitości występowania w glebie) jest tlenek żelaza, Fe2O3, stanowiący mniej więcej 17% zawartości próbek, zbadanych przez Yikingi. Do wytwarzania szkła dobrej jakości potrzeba piasku nie zawierającego właściwie wcale żelaza, a taki piasek trudno pewnie będzie na Marsie znaleźć. Produkcja szkła optycznego na miejscu wymagałaby usunięcia z piasku tlenku żelaza, na przykład poprzez reakcję tlenku węgla, który powstaje jako „odpad" w reaktorze RWGS, z tlenkiem żelaza, prowadzącą do redukcji tlenku żelaza do dwutlenku węgla i żelaza metalicznego, usuwanego następnie za pomocą magnesu. Muszę przyznać, że jest to nieco kłopotliwa metoda, choć uzyskane żelazo można by później wykorzystać, na przykład do wyrobu stali (wspomnę o tym pokrótce nieco dalej). W rzeczywistości baza prawie na pewno będzie potrzebować znacznie więcej stali niż szkła optycznego, dlatego już po wstępnym okresie funkcjonowania bazowej odlewni wytwórcom szkła nie powinno zabraknąć materiału pozbawionego żelaza. Podkreślmy jednak, że do produkcji wielu materiałów, na przykład włókien szklanych, szkło optyczne nie jest potrzebne.

250 • CZAS MARSA

Czerpanie wody

Dla marsjańskiego umysłu kwestią o kluczowym znaczeniu, ważniejszą niż wszelkie sprawy pracownicze, zagadnienie wyborczych praw kobiet i tajemnice Wschodu razem wzięte, byłby problem wody: w jaki sposób zdobyć dość wody, by życie mogło przetrwać?

Percival Lowell, Mars (1895)

Niewątpliwie Percival Lowell mylił się co do wielu spraw, lecz jego wypowiedź dotycząca wody na Marsie świadczy o niezłej zdolności przewidywania. Wszystkie omawiane metody badania i kolonizacji Marsa przez ludzi są uzależnione od wody: wytwarzanie paliwa do rakiet i roverów, uzyskiwanie tlenu, produkcja tworzyw sztucznych, wytwarzanie cegieł, zaprawy murarskiej i ceramiki, uprawa roślin, uszczelnianie wycieków, utwardzanie gleby sztuczną zmarzliną. Z logistycznego punktu widzenia przywożenie wody z Ziemi jest fatalnym pomysłem. Jedynie podczas pierwszych paru wypraw możemy sobie pozwolić na produkcję wody z przywiezionego z Ziemi wodoru, stanowiącego 11% wody, i tlenu z marsjańskiej atmosfery, obfitującej w dwutlenek węgla. Przystępując do budowy marsjańskiej bazy, musimy dysponować większymi możliwościami uzyskiwania wody. Ogromny wzrost zużycia paliwa i energii spowodowany rozwojem różnorodnej ludzkiej działalności, prace z zakresu inżynierii lądowej i chemicznej, a przede wszystkim rozwój rolnictwa spowodują, że zapotrzebowanie na wodę znacznie przekroczy ilości produkowane z wodoru dostarczonego z Ziemi. Zasiedlenie Marsa nie będzie możliwe bez znalezienia na nim źródeł wody.

Rozważnie założona baza powinna znajdować się niedaleko od przypuszczalnych miejsc występowania wody. Na Marsie oznacza to półkulę północną. Spoglądając obecnie na Czerwoną Planetę, ujrzymy na terenie marsjańskiej Arktyki spory, nisko położony obszar o bardzo niewielkiej liczbie kraterów. Uważa się, że w ciągu pierwszego miliarda lat marsjańskiej historii niecka ta była wypełniona wodą, chroniącą dno przed uderzeniami meteorytów. Ostatnią pozostałością po tym starożytnym oceanie jest czapa biegunowa składają-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 251

ca się z lodu wodnego (o objętości ocenianej na mniej więcej 2 min km3).4

Na zdjęciach wykonanych z okołomarsjańskiej orbity widać, że na półkuli północnej jest znacznie więcej koryt rzecznych i kanałów odpływowych niż na półkuli południowej. Przypuszczalnie w ujściach rzek i kanałów zgromadził się lód lub wieczna zmarzlina. Przykryte warstwą pyłu pokłady zamarzniętej wody mogą tam wciąż występować. Przeprowadzone z orbity pomiary wilgotności marsjańskiej atmosfery udowodniły ponad wszelką wątpliwość, że półkula północna planety jest wilgot-niejsza od południowej, a porą o najwyższej wilgotności jest wiosna na półkuli północnej. Kwestia występowania w przeszłości dużych ilości wody na półkuli północnej ma też dla przyszłych kolonizatorów Marsa dodatkowe znaczenie, gdyż aktywność hydrologiczna jest najważniejszym czynnikiem przesądzającym o tworzeniu się rozmaitych rud mineralnych. Gdyby Horace Greeley5 żył na Marsie, radziłby młodym Marsjanom, marzącym o zdobyciu fortuny - wyruszajcie na północ.

Istnieje parę sposobów uzyskania wody na Marsie. Pierwszy, najbardziej atrakcyjny, lecz zarazem najbardziej problematyczny, jest prosty - wystarczy wodę odnaleźć. Pisałem już w rozdziale 6, że na Marsie mogą występować ogrzewane geo-termicznie podpowierzchniowe zbiorniki wody. Za pomocą radaru astronauci podróżujący w roverze wykrywaliby baseny, znajdujące się na głębokości do l km pod powierzchnią planety. Załogi roverów nie będą musiały szukać na ślepo, ponieważ badania radarowe o niskiej zdolności rozdzielczej, prowadzone z orbity lub przez sondy niesione na balonach, pozwolą wcześniej określić najbardziej prawdopodobne obszary wodonośne. Po wywierceniu otworu z podpowierzchniowego zbiornika wodnego powinien wystrzelić gejzer gorącej wody pod wysokim

4 B. Jakowsky, A. Zent: The Physical and Chemical Properties and Resource Poten-tials of Mars Surface Soils. [W:] J. Lewis, M. Mathews i M. Guerreri (red.): Resources of Near-Earth Space, Uniyersity of Arizona Press, Tuscon 1993.

5 Amerykański dziennikarz (założyciel tygodnika „The New Yorker"), działacz społeczny i polityk, żyjący w latach 1811-1872 (przyp. red.).

252 • CZAS MARSA

ciśnieniem, przypominający wytrysk nafty na polu ropono-śnym w Teksasie. W marsjańskiej zimnej atmosferze o niskim ciśnieniu strumień wody nie utrzyma zbyt długo wysokiej temperatury - woda zamarznie prawdopodobnie w kryształki lodu, które spadną z powrotem na powierzchnię planety przed osiągnięciem wysokości 100 m. Nie można też wykluczyć błyskawicznego powstania sporej wielkości wulkanu śnieżnego. Wydobywanie wody w równie widowiskowy sposób byłoby, niestety, marnotrawstwem, ponieważ taka studnia hydroter-miczna stanowi jednocześnie źródło energii. Rozwiązanie idealne to umiejscowienie bazy na podpowierzchniowym, gorącym źródle artezyjskim.

Oczywiście, sytuacja może okazać się mniej korzystna, gdy woda podpowierzchniowa nie wystąpi na maksymalnej głębokości odwiertów. Co wtedy? Jeśli nie ma wody, trzeba by się rozejrzeć za solankami. Nasycone roztwory soli pozostają w stanie płynnym w bardzo niskich temperaturach, sięgających -55°C, co oznacza, że nawet bez geotermicznych źródeł ciepła płynne solanki mogą obecnie istnieć płytko pod powierzchnią Marsa, chronione przed wyparowaniem przez cienkie warstwy lodu lub gleby. Solanki byłyby dobrym źródłem wody oraz bardzo obiecującym miejscem na odnalezienie ocalałych przejawów marsjańskiego życia. Dotychczas nie zidentyfikowano na Czerwonej Planecie żadnych solanek, jednak sól bez wątpienia tam występuje, a niektórzy uczeni sądzą, że pewne jasno zabarwione utwory powierzchniowe, otaczające dawne zbiorniki wodne, mogą być złożami soli, która się osadziła wzdłuż linii brzegowej wyschniętych marsjańskich mórz.

Kolejnym, po wodzie w stanie ciekłym i solankach, interesującym znaleziskiem byłby lód. Wokół północnego bieguna Marsa znajdują się spore pokłady lodu, nie zamierzamy jednak budować bazy w Arktyce. Na południe od równoleżnika 75° północnej szerokości areograficznej nie widać już większych stałych pokładów lodu. Teorie przewidują jednak, że powyżej szerokości areograficznej 40°N już na głębokości l m pod powierzchnią powinna występować stabilna warstwa lodu. Zdarzają się też przecież pogodowe anomalie - na przykład w Kolo-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 253

rado, gdzie mieszkam, po północnej stronie domu może panować zima, lato zaś po południowej; czasami nawet w rozpalony, sierpniowy dzień można zetknąć się ze śniegiem ukrytym w zacienionym zagłębieniu na północnym stoku wzgórza. Z pewnością w jakichś zimnych szczelinach, zagłębieniach wydrążonych przez lawę lub pieczarach na północnej stronie marsjańskich gór leży lód, i to na obszarach, których globalne teorie klimatyczne w ogóle nie biorą pod uwagę. Do zbierania lodu przyda się dynamit, gdyż w marsjańskich temperaturach lód może być naprawdę bardzo twardy. Wydaje się, że poza okolicami bieguna złoża czystego lodu występują rzadko, a odkrywcy Marsa będą mieli większe szansę znalezienia wiecznej zmarzliny, czyli zamarzniętego błota. Zmarzlina może być bardzo twarda, przez co jest w pewnym sensie idealnym marsjań-skim materiałem budowlanym. Cegła ze zmarzliny byłaby znacznie silniejsza od czerwonej cegły wypalanej z gliny; nie trzeba jej poddawać obróbce termicznej ani stosować zaprawy murarskiej - wystarczy dodać wody i natychmiast powstaje silna skała. Zatem należy zaopatrzyć się w duże ilości dynamitu.

To tyle, jeśli chodzi o perspektywy uzyskiwania wody metodami heroicznymi i górniczymi. Przyjrzyjmy się z kolei sposobom przyziemnym, czyli przemysłowym.

Jesteśmy pewni, że marsjańska gleba zawiera nieco wody. Gdy przypadkowe próbki gleby, zebrane w miejscach lądowania przez obie sondy Yiking z górnych 10 cm gleby, podgrzano do temperatury 500°C, wyemitowały one około 1% wagi w postaci pary wodnej. Nie najgorszy wynik, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę, że rezultaty eksperymentu nie są do końca miarodajne, gdyż warstwa powierzchniowa jest najbardziej sucha, próbki podgrzewano tylko przez 30 s, a wcześniej trzymano wiele dni w nieszczelnym pojemniku w temperaturze 15°C, znacznie wyższej od średniej marsjańskiej temperatury, co rodzi podejrzenie, że znaczna część wody zdołała ulotnić się przed badaniem. Pomiary wykonane przez Yikingi sugerują, że średnia zawartość wody w glebie marsjańskiej wynosi co najmniej 3%. Ponadto prawdopodobnie niektóre rodzaje marsjańskiej gleby są wilgotniejsze niż przeciętnie; na Czerwonej

254 • CZAS MARSA

Planecie występują na przykład pokłady soli, zawierające do 10% związanej chemicznie wody, którą można uwolnić przez ogrzanie do odpowiedniej temperatury. Często marsjańska glina ma doskonałe właściwości adsorpcyjne: na przykład glina smektyczna, odnaleziona w meteorytach SNC, może zaabsorbować do kilkudziesięciu procent wagowych wody. Wiele meteorytów SNC zawierało także gips (CaSO4 • 2H2O). Nie można wykluczyć, że na Marsie gips występuje powszechnie, ponieważ stężenia siarki i wapnia, zmierzone przez oba Yikingi, były dużo większe (odpowiednio, 40 i 3 razy) od średnich wartości dla ziemskiej gleby. Gips może zawierać ponad 20% wagowych wody.

Do odzyskania wody z gleby (niezależnie od tego, czy zawiera ona 3%, czy 20% wody) konieczne jest ciepło. Są na to dwa sposoby - albo przenieść glebę do grzejnika, albo grzejnik do gleby. Pierwszy sposób został przedstawiony na rys. 7.3. Ciężarówka wypełniona stosunkowo wilgotną marsjańska glebą zrzuca ładunek na pas transmisyjny, prowadzący ku piecowi, w którym rozgrzana do temperatury mniej więcej 500°C ziemia uwalnia wodę. Strumień pary wodnej trafia do sprężarki, podczas gdy odwodniona gleba zostaje usunięta. Rosnąca hałda żużlu stanowi pewną niedogodność, ogólnie jednak proces ma korzystny bilans energetyczny. W przypadku gleby zawierającej 3% wody układ zużywa 3,5 kWh (kilowatogodzin) energii cieplnej na wyprodukowanie l kg wody.6

Zasilając piec energią elektryczną o mocy 100 kW, wyprodukujemy codziennie 700 kg wody; wykorzystując zaś do wypiekania ziemi odpadową energię cieplną, będącą produktem ubocznym pracy reaktora, otrzymamy 14 000 kg wody dziennie. (Generatory termoelektryczne, stosowane współcześnie w kosmonautyce jądrowe źródła energii, przetwarzają produkowaną moc na energię elektryczną z wydajnością zaledwie 5%, pozostałe 95% ucieka jako „ciepło odpadowe").

6 C. Stoker i in.: The Physical and Chemical Properties and Resource Potentials of Martian Surface Soils. [W:] J. Lewis, M. Mathews i M. Guerreri (red.): Resources of Near-Earth Space, University of Arizona Press, Tuscon 1993.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 255

Rys 7 3 Metoda pozyskiwania wody z marsjanskiej ziemi, wykorzystująca ciężarówkę i piec żużel wyrzucany jest na hałdę (rys Michael Carroll)

Pozostaje kwestia nieszczęsnej sterty żużlu: przy dziennej produkcji 14 000 kg wody hałda roslaby codziennie o 462 000 kg. Ilość jeszcze możliwa do przyjęcia - o objętości 120 m3 - mieszcząca się na sześciu ciężarówkach. Może ów żużel uda się do czegoś wykorzystać, a może będzie wrzucany do jakiegoś pobliskiego krateru.

Inny sposób polega na dowiezieniu grzejnika do marsjanskiej gleby. Według jednego z pomysłów mobilny piec, umieszczony na pojeździe kołowym, pobierałby ziemię z powierzchni, wypiekał, sprężał parę wodną i wyrzucał wysuszony muł podczas jazdy.7

Do zasilania pojazdu zamiast reaktora jądrowego wolelibyśmy użyć radioizotopowego generatora termoelektrycznego (RTG, ang. Radioisotope Thermoelectric Generator), ogniwa izotopowego, podobnego do stosowanych na pokładach sond Yoyager, Yiking, Galileo i innych statkach podróżujących po zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego. Standardowy generator RTG zapewnia 300 W energii elektrycznej (starczy na napęd wózka) oraz 6 kW odpadowej energii cieplnej: ilość wystarczająca do wytworzenia 42 kg wody dziennie z gleby,

7 B Clark A Day in the Life of Mars Base l, „Journal of British Interplanetary Society", listopad 1990

256 • CZAS MARSA

w której zawartość wody wynosi 3%. Tego rodzaju wyposażenie przydałoby się niewielkim grupom astronautów, podróżujących po odległych od bazy terenach. Mogłoby także pełnić rolę układu pomocniczego podczas pierwszych, odkrywczych wypraw (w ciągu 500 dni pobytu na Marsie, jak to zakłada projekt Mars Direct, produkcja 42 kg wody dziennie oznacza w sumie 21 000 kg wody); wytwarzane ilości wody byłyby jednak małe w porównaniu z potrzebami dużej, rozwijającej się bazy marsjańskiej. Oczywiście, duża liczba pojazdów mogłaby wyprodukować więcej wody, lecz ogniwa RTG są kosztowne; poza tym metoda powoduje szybkie zużywanie się sprzętu -konsekwencja przerzucania i poruszania dużej ilości piasku i kamyków.

Kolejny pomysł to zastosowanie urządzenia emitującego promieniowanie mikrofalowe, zamontowanego na wózku i ogrzewającego glebę, znajdującą się pod przejeżdżającym pojazdem. Obecna w glebie woda przechodziłaby w parę i unosiła się nad powierzchnią, wózek natomiast byłby wyposażony w rodzaj baldachimu z elastyczną spódniczką, zamiatającą wkoło ziemię. Spódniczka służyłaby za pomieszczenie utrzymujące wilgoć, dopóki woda nie zamarznie na dachu baldachimu, skąd później zbierze się ją i przechowa. Zaletą tej propozycji jest wyeliminowanie konieczności prowadzenia wykopów, ponadto zastosowanie promieniowania mikrofalowego pozwala dostroić urządzenie tak, by najsilniej podgrzewało cząsteczki wody i nie marnowało energii na ogrzanie piasku. Niestety, unosząca się para przekazuje ciepło glebie, więc część energii i tak się marnuje (choć nie tak dużo, jak w najprostszej, czysto termicznej metodzie). Kłopotliwy jest też wymóg zasilania grzejnika mikrofalowego energią elektryczną, a nie cieplną. Powstała jako produkt uboczny pracy RTG odpadowa energia cieplna o mocy 6000 W nie nadaje się do użycia, trzeba wykorzystywać energię elektryczną o mocy 300 W. Zatem nawet gdyby l W energii elektrycznej, użytej do uzyskiwania wody, miał dwukrotnie większą skuteczność niż l W energii cieplnej, wykorzystanej do tego samego celu, zgromadzilibyśmy dziesięć razy mniej wody niż w wypadku metody termicznej, ponieważ energia cieplna jest

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 257

Rys 7 4 Metody wydobywania wody z marsjanskiej gleby za pomocą poru szających się urządzeń ,pożeracz' gleby na kołach (ugory z lewej), mobilna aparatura mikrofalowa ze spódniczką (w środku), przenośna szklarnia pod kopułą wraz ze sprężarką (na dole) (rys Michael Carroll)

dostępna w dwadzieścia razy większych ilościach. W przypadku dużego stężenia wody w glebie i bardzo twardego, trudno pękającego materiału (taka jest zmarzlina), metoda wykorzystująca promieniowanie mikrofalowe lepiej by się sprawdzała od koparki z piecem. Zebrane ilości wody wciąż byłyby jednak niewielkie. Załóżmy na przykład, że urządzenie stosujemy do pokładów zmarzliny, zawierającej 30% wody. Szacujemy, że wydobycie l kg wody wymagać będzie energii l kWh, zatem w ciągu mar-sjańskiego dnia (solą) trwającego 24,6 godziny, wózek wyposażony w aparaturę mikrofalową, napędzany ogniwem RTG o mocy 300 W, wydobyłby mniej więcej 7,4 kg wody. Pewnym

258 • CZAS MARSA

sposobem na znaczne poprawienie tego wyniku byłoby dostarczenie urządzeniu dużo, dużo więcej energii, na przykład poprzez połączenie kablem wózka z reaktorem jądrowym, znajdującym się w bazie, i zapewnienie mocy 100 kW. Dzięki takiemu rozwiązaniu udałoby się wydobyć 2200 kg wody dziennie, ale, niestety, za cenę utraty mobilności.

Sądzę, że korzystniejsze byłoby rozpostarcie nad wybranym obszarem na powierzchni Marsa namiotu i ogrzanie jego wnętrza za pomocą naturalnie występującego efektu cieplarnianego. Wzrost temperatury, spowodowany efektem cieplarnianym, można zwielokrotnić, rozstawiając wokół namiotu mocne, lecz lekkie zwierciadła, obracające się za Słońcem po marsjanskim nieboskłonie w taki sposób, by zmaksymalizować ogrzewanie wnętrza namiotu przez światło słoneczne. Wewnątrz namiotu ziemia nie ogrzeje się oczywiście do 500°C, lecz z pewnością osiągnie temperaturę znacznie powyżej średniej powierzchniowej temperatury gleby na Marsie. To wystarczy, by wywołać parowanie części adsorbowanej wody zawartej w glebie; wilgoć w postaci szronu osadzającego się na zimnej płytce można magazynować w zamrażarce, stojącej w rogu namiotu (podobnie jak zamrażalnik w każdej lodówce). By ocenić skuteczność podobnego rozwiązania, bierzemy pod uwagę wartość energii promieni słonecznych, padających na powierzchnię Marsa, odpowiadającą mocy 500 W/m2. W przypadku namiotu w kształcie półkuli o średnicy 25 m, ogrzewanego światłem słonecznym i wspomaganego układem zwierciadeł wewnątrz namiotu, uzyskamy dodatkowo równowartość 200 W/m2 energii cieplnej; zatem całkowita moc efektywna systemu wynosiłaby 98 kW. Ilość ta wystarczy do otrzymania w ciągu ośmiogodzinnego dnia 224 kg wody z gleby o 3% zawartości wody. Woda ta pochodziłaby z leżącej pod samą powierzchnią warstwy grubości 0,5 cm. Wykonany z polietylenu grubości 0,1 mm namiot ważyłby zaledwie 100 kg (czyli 38 kg na Marsie), mógłby zatem być bez przeszkód wożony przez astronautów w roverze i rozstawiany codziennie w nowym miejscu. Po usunięciu namiotu procesy naturalnego nawadniania gleby sprawiłyby, że to samo miejsce będzie się nadawać do wielokrotnej „hodowli wody".

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 259

Zupełnie odmienne rozwiązanie zakłada pozyskiwanie wody z marsjańskiej atmosfery. Problem polega na tym, że powietrze na Marsie jest bardzo suche - w normalnych warunkach trzeba przerobić milion metrów sześciennych powietrza, by otrzymać jeden kilogram wody. Klasyczna praca autorstwa Toma Meyera, inżyniera, i Chrisa McKaya, naukowca zajmującego się badaniem Marsa, zawiera projekt mechanicznego systemu sprężającego, wykonującego dokładnie takie zadanie.8

Wyliczyli oni, że produkcja l kg wody wymaga energii elektrycznej o wartości 103 kWh. Wynik wydaje się niezbyt atrakcyjny, gdy porównamy go z danymi na temat wydajności opisanych już, konkurencyjnych metod wydobywania wody z gleby (średnie zużycie energii na wytworzenie l kg wody wynosi około 3,5 kWh energii cieplnej). Należy jednak pamiętać, że układ sprężający będzie dodatkowo źródłem dużych ilości przydatnego argonu i azotu, wykorzystywanych w systemie podtrzymywania funkcji życiowych. Niedawno zaś Adam Bruckner, Ste-ven Coons i John Williams z Uniwersytetu Waszyngtońskiego przeprowadzili badania, w których, zamiast sprężać powietrze, użyli wentylatora, wydmuchującego je na zeolitowe złoże sorpcyjne.9

Zeolit to bardzo efektywny środek suszący, stosowany do obniżania zawartości pary wodnej w atmosferze do poziomu paru cząsteczek wody na miliard, czyli znacznie poniżej wilgotności marsjańskiego powietrza. W temperaturach występujących na powierzchni Czerwonej Planety zeolit będzie adsorbo-wać wodę do 20% swojej masy. Po nasyceniu zeolitu można poprzez ogrzewanie wydobyć z niego wodę, zużywając mniej więcej 2 kWh energii cieplnej na l kg wody; wysuszony zeolit nadaje się do ponownego wykorzystania. Ponieważ wystarczy

8 T. Meyer i C. McKay: The Atmosphere of Mars - Resources for the Exploration and Settlement of Mars, AAS 81-244. [W:] P. Boston (red.): The Case for Mars, tom 57, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego, Kalifornia 1984.

9 J. Williams, S. Coons i A. Bruckner: Design of a Water Vapor Adsorption Reac-tor for Martian In Situ Resource Utilization, „Journal of British Interplanetary Society", sierpień 1995.

260 • CZAS MARSA

jedynie poruszać powietrze, a nie sprężać je, jak w przypadku pompy proponowanej przez Meyera i McKaya, mechaniczny układ wentylatora zużyje jeszcze dodatkowe 2 kWh energii elektrycznej na l kg wyprodukowanej wody. Pobór mocy układu jest więc zbliżony do wielkości charakteryzującej system wydobywania wody z ziemi. Najpoważniejszy problem wynika stąd, że każdy system pozyskiwania wody z atmosfery musi mieć duże rozmiary, by zapewnić pożądaną wydajność. Instalacja, składająca się z przewodu wlotowego o przekroju 10 m2 oraz wentylatora, pobierającego powietrze z prędkością 100 m/s (mniej więcej 3600 km/h), produkowałaby w przybliżeniu 90 kg wody dziennie. Skoro jednak urządzenie takie nie musiałoby się poruszać, zużywający 8 kWh wentylator może z powodzeniem być zasilany energią ze źródła w bazie. A zatem pozyskiwanie wody z powietrza w ten sposób może wydać się atrakcyjne, jeśli wziąć pod uwagę, że stosowanie systemu nie wymaga prowadzenia prac ziemnych ani poszukiwań, że system może działać całkowicie automatycznie oraz że potrzebny surowiec - marsjańskie powietrze - jest dostępny w nieograniczonych ilościach.

Wprawdzie nie ma na Marsie tyle wody, ile, zdaniem Lowel-la, płynęło w rowach nawadniających, które miały przecinać powierzchnię planety, z pewnością wystarczy jej jednak dla potrzeb najodleglejszej placówki badawczej. Bez wątpienia znaczną część wody, zdobytej na jałowej powierzchni Marsa, będzie można wykorzystać do zazielenienia Czerwonej Planety.

Szansę zazielenienia Czerwonej Planety

Aby zapewnić wzrost liczebności ludzkiej populacji na Marsie, trzeba będzie - z uwagi na wysoki koszt transportu międzyplanetarnego - opracować sposób uprawy roślin i produkcji żywności. Pod tym względem Czerwona Planeta oferuje znacznie większe możliwości niż Księżyc i inne ciała niebieskie w Układzie Słonecznym. Wszystkie cztery pierwiastki o podstawowym znaczeniu dla materii organicznej - wodór, węgiel, azot i tlen -

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 261

są na Marsie łatwo dostępne. Uważa się wprawdzie za prawdopodobne, że na planetoidach występują substancje zawierające węgiel; pewne dane uzyskane dzięki misji sondy Clementine wskazują na możliwość obecności na ziemskim Księżycu złóż lodu na stale zacienionych terenach wokół bieguna północnego. Argumenty te są jednak bezwartościowe, gdyż podstawowym problemem nękającym wszystkie pozbawione atmosfery ciała niebieskie oraz ewentualne kolonie w otwartej przestrzeni kosmicznej (proponowane przez Gerarda O'Neilla10) jest brak światła słonecznego w postaci nadającej się do wykorzystania do uprawy roślin.

Kwestia ta ma ogromne znaczenie, a jednak nie jest właściwie rozumiana. Rośliny potrzebują gigantycznych ilości energii, czerpanej ze światła - na przykład l km2 powierzchni uprawnej oświetlony jest energią słoneczną o mocy w przybliżeniu 1000 MW; wielkość ta odpowiada poborowi mocy milionowego miasta amerykańskiego. Innymi słowy, energia zużywana do wytworzenia płodów rolnych tak maleńkiego państwa, jak Salwador, przekracza moc produkowaną przez wszystkie elektrownie na Ziemi. Rośliny przetrwają prawdopodobnie mniej więcej 20% spadek otrzymywanej energii słonecznej w porównaniu z ziemskimi standardami i będą nadal rosnąć, ale nie zmienia to fundamentalnego faktu: wymagania energetyczne związane ze wzrostem roślin wykluczają wszelkie większe uprawy, wykorzystujące sztucznie wytwarzane światło. Wiedząc to, rozumiemy, że problem uniemożliwiający wykorzystanie naturalnego światła słonecznego na Księżycu oraz w otwartej przestrzeni kosmicznej polega na braku osłony ze strony atmosfery. (Na Księżycu dodatkowo komplikuje sytuację dobowy cykl oświetlenia i ciemności, liczący 28 ziemskich dni; jest to zupełnie nie do przyjęcia dla roślin). Uprawy wewnątrz cienkościennych szklarni na powierzchni Księżyca lub planetoidy zostałyby zniszczone przez promieniowanie z rozbłysków słonecznych. Skuteczne zabezpieczenie zapewnia dopiero szklana ściana o grubości 10 cm, co sprawia, że większe

10 G. 0'Neill: TheHigh Frontier. William Morrow, Nowy Jork 1977.

262 • CZAS MARSA

uprawy byłyby zupełnie nieopłacalne. Problemu nie rozwiążą zwierciadła ani inne urządzenia kierujące światło, gdyż powierzchnia zwierciadeł musiałaby być ogromna, porównywalna z powierzchnią upraw, co prowadziłoby do kolosalnych problemów technicznych, gdybyśmy planowali duże uprawy.

Marsjańska atmosfera ma wystarczającą gęstość, by osłonić rośliny na powierzchni Czerwonej Planety przed niekorzystnym wpływem rozbłysków słonecznych. Wiemy już, że na Marsie można bez trudu skonstruować nadmuchiwane, chronione dodatkowo kopułą szklarnie o dużych rozmiarach, wewnątrz których panowałyby warunki, sprzyjające szybkiemu wzrostowi roślin. Powierzchnia Marsa otrzymuje o 57% mniej światła słonecznego od Ziemi, lecz ilość ta jest zupełnie wystarczająca, by zachodził proces fotosyntezy, który można dodatkowo przyspieszyć, wypełniając kopuły dwutlenkiem węgla w wyższym stężeniu niż na Ziemi. Do ochrony konstrukcji mieszkalnej o średnicy 50 m i ciśnieniu wewnętrznym, wynoszącym 5 psi, konieczna jest kopuła z wzmocnionego kevlaru o grubości l mm. Rośliny zaś potrzebują atmosfery o ciśnieniu zaledwie 0,7 psi, czyli 50 mbar, w tym 20 mbar azotu, 20 mbar tlenu, 6 mbar pary wodnej i poniżej l mbar dwutlenku węgla. Kopuła o średnicy 50 m, osłaniająca szklarnie, może być wykonana z włókna grubości tylko 0,2 mm; około 2000 m2 (pół akra) ziemi uprawnej zmieściłoby się pod kopułą, która ważyłaby w przybliżeniu tonę. Masa drugiej, pleksiglasowej kopuły ochronnej wciąż jednak wynosiłaby 4 tony. (Kopuła z pleksiglasu będzie mieć o połowę mniejszą masę, jeśli górnej jej połowie, zamiast rozważanej dotąd półkuli, nadamy kształt soczewki. Soczewkowaty kształt górnej półkuli ułatwiłby budowę kopuły ochronnej, gdyż zmniejszyłaby się wysokość konstrukcji; ponadto drastycznie skróciłby się czas, potrzebny roślinom do nasycenia tlenem atmosfery wewnątrz kopuły). Roślinom wystarczy atmosfera o ciśnieniu 0,7 psi, za to ludzie w takich niskociśnieniowych szklarniach musieliby nosić skafandry kosmiczne. Przestałyby one być konieczne po podwyższeniu ciśnienia do 2,5 psi. Zasadniczo najkorzystniej będzie wykonać kopuły szklarni, zakładając

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 263

ciśnienie wynoszące 5 psi (tyle sarno co w pomieszczeniach mieszkalnych), chyba że baza będzie odczuwać dotkliwy brak powierzchni uprawnych. Rozwiązanie takie pozwala połączyć szklarnie i konstrukcje mieszkalne tunelami, którymi ludzie będą mogli swobodnie poruszać się pomiędzy różnymi obiektami w lekkich ubraniach, bez skafandrów i konieczności przeprowadzania operacji sprężania/rozprężania. Dodatkowo za wariantem takim przemawia łatwość masowej produkcji ujednoliconych elementów konstrukcyjnych do obu typów kopuł oraz możliwość wprowadzenia się do szklarni w razie szybkiego przyrostu populacji. Podstawową różnicą dzielącą dwa typy kopuł jest wartość dopuszczalnego ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla. W kopułach mieszkalnych ciśnienie dwutlenku węgla nie może przekraczać ziemskiej średniej, czyli około 0,4 mbar. Za to w szklarniach występować będzie znacznie wyższe ciśnienie dwutlenku węgla, sięgające 7 mbar (wielkość odpowiadająca marsjańskiemu klimatowi), co w wielkim stopniu przyczyni się do zwiększenia zbiorów. (Na Ziemi rośliny cierpią z powodu niedostatku dwutlenku węgla). Znamy już rozmaite potencjalnie użyteczne technologie, pozwalające dostarczyć szklarniom dużych ilości wody. Na Marsie można zatem zapewnić podstawowy warunek uprawy roślin - występowanie dobrze oświetlonych i nawadnianych terenów.

Jak żyzna jest marsjańska gleba? Trudno powiedzieć, lecz wykorzystując dzisiejszą wiedzę możemy stwierdzić, że marsjańska gleba powinna okazać się doskonałym środowiskiem dla uprawy roślin, znacznie lepszym od większości ziemskich terenów uprawnych. Tabela 7. l porównuje ziemską i marsjańska glebę pod względem zawartości pierwiastków posiadających odżywcze właściwości dla roślin. Dane odnoszące się do Marsa bazują na pomiarach Yikingów i badaniach meteorytów SNC.11

11 C. Stoker i in.: The Physical and Chemical Properties and Resource Potentials of Martian Surface Soils. [W:] J. Lewis, M. Mathews i M. Guerreri (red.): Resources of Near-Earth Space, University of Arizona Press, Tuscon 1993.

264 • CZAS MARSA

Z Tabeli 7. l dowiadujemy się, że marsjańska gleba jest bogatsza w większość roślinnych składników odżywczych. Najważniejszą niewiadomą pozostaje zawartość azotu, której znajdujący się na Yikingu. przyrząd, analizujący skład pierwiastków w glebie, nie zdołał zmierzyć z powodu ograniczeń konstrukcyjnych. Wiemy jednak skądinąd, że azot obecny jest w atmosferze Marsa, zatem gdyby gleba okazała się uboga w azotany, możliwa byłaby synteza amoniaku i innych nawozów azotowych. Prowadząca do wytworzenia metanu reakcja Sabatiera będzie dostarczać amoniaku, jeśli jako substratów użyjemy azotu i wodoru. Podstawowa metoda produkcji nawozów na Ziemi wykorzystuje instalacje do przeprowadzania podobnych reakcji. Współczesna wiedza na temat procesu kształtowania się planet każe jednak przypuszczać, że zawartość azotu na nowo powstałym Marsie była zbliżona do wartości ziemskiej. W takim wypadku azot nie mógł uciec i wciąż musi być obecny na Czerwonej Planecie,

Tab. 7.1. Porównanie zawartości roślinnych składników odżywczych w glebie na Ziemi i na Marsie. (Skrót ppm oznacza części na milion: l ppm równa się jednej dziesięciotysięcznej części procenta lub jednej tysięcznej części promila).

PIERWIASTEK

ŚREDNIA ZAWARTOŚĆ W ZIEMSKIEJ GLEBIE

ŚREDNIA ZAWARTOŚĆ W MARSJAŃSKIEJ GLEBIE

azot 0,14% nieznana

fosfor 0,06% 0,30%

potas 0.83% 0,08%

wapń 1,37% 4,10%

magnez 0,50% 3,60%

siarka 0,07% 2,90%

żelazo 3,80% 15,00%

mangan 0,06% 0,40%

cynk 50 ppm 72 ppm

miedź 30 ppm 40 ppm

bór 10 ppm nieznana

molibden 2 ppm 0,4 ppm

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 265

prawdopodobnie w postaci azotanów w glebie. Spodziewam się odkrycia na Marsie pokładów naturalnych azotanów; baza zaopatrzyłaby się w wielkie zapasy nawozów, wydobywając azotany za pomocą materiałów wybuchowych. Kolejny rzadko występujący na Marsie roślinny składnik odżywczy to potas. Niewykluczone, że pierwiastek ten jest obecny w wysokich stężeniach w pokładach soli, które osadziły się na brzegach wyschniętych dzisiaj, dawnych marsjańskich zbiorników wodnych.

Wzrostowi roślin sprzyjają także fizyczne właściwości ziemi na Marsie, gdyż wiele wskazuje na to, że pokrywająca całą powierzchnię planety gleba jest rzadka, porowata i właściwie przygotowana mechanicznie do podtrzymywania uprawy. Mówiliśmy wcześniej, że marsjańskie gleby zawierają dużo glin smektycznych. Jest to dobra wiadomość dla przyszłych marsjańskich rolników, gdyż smektyty skutecznie stabilizują wartość parametru pH gleby na poziomie lekko kwasowym, a dzięki wysokiej zdolności do wymiany stanowią w glebie spory zapas wymiennych jonów odżywczych.

Wspomnieliśmy już, że marsjańskie kopuły będą wypełnione atmosferą o ciśnieniu 5 psi (340 mbar), odpowiadającym jednej trzeciej ziemskiego ciśnienia atmosferycznego na powierzchni morza. Ponieważ grawitacja na Marsie wynosi mniej więcej jedną trzecią ziemskiej wartości, taka gęstość powietrza pozwoli latać owadom. Możliwe stanie się zapylanie roślin przez pszczoły. Na początku kopuły będą zawierać powietrze z marsjańskiej atmosfery (95% to dwutlenek węgla) sprężone do wybranego ciśnienia, wzbogacone paroma mili-barami sztucznie wytworzonego tlenu, który umożliwi roślinom oddychanie. Rośliny wewnątrz szklarnianych kopuł będą rosnąć w środowisku zawierającym bardzo dużo dwutlenku węgla, co zapewni wysoką wydajność fotosyntezy. Na Ziemi, gdzie atmosfera jest uboga w dwutlenek węgla, rośliny przekształcają energię światła słonecznego w energię wiązań chemicznych z wydajnością zaledwie 1%. (Wydajność netto takiego ekosystemu, jak las czy dzika preria, jest znacznie niższa, mniej więcej 0,1%, gdyż obumarłe rośliny ulegają roz-

266 • CZAS MARSA

kładowi. Same rośliny radzą sobie dużo lepiej, z czego korzystamy w naturalnym środowisku rolniczym, zbierając plony, zanim zostaną rozłożone przez bakterie). Wydajność fotosyntezy w środowisku o bardzo dużej zawartości dwutlenku węgla ocenia się na 3%. W sferycznej kopule o średnicy 50 m rośliny, fotosyntetyzujące z taką wydajnością, w ciągu 310 dni przekształciłyby cały zawarty wewnątrz szklarni dwutlenek węgla w tlen. W przypadku kopuły o kształcie soczewki (o promieniu krzywizny 50 m zamiast 25 m) wystarczyłoby zaledwie osiem dni. Wykryty prawdopodobnie w marsjańskiej glebie przez Yikingi utleniacz nie będzie stanowić żadnego problemu, ponieważ przy kontakcie z wodą rozkłada się on na substancję zredukowaną i swobodny tlen. Wilgoć krążąca w ciepłym środowisku szklarni będzie powodowała wydzielanie tlenu przez glebę podłoża.

Wszyscy znamy argumenty wegetarian, przekonujących o konieczności całkowitego zrezygnowania ze spożywania mięsa, gdyż akr kukurydzy dostarcza znacznie więcej pożywienia niż akr przeznaczony na hodowlę bydła. Na Ziemi argumenty takie są wątpliwe, skoro głód nie jest spowodowany globalnym niedostatkiem żywności, lecz brakiem pieniędzy u głodujących. W stosunku do Marsa ta argumentacja ma sens, gdyż ziemię pod uprawy bądź hodowlę trzeba pod kopułami ochronnymi urządzić - nie wystarczy po prostu zająć obszar. Istotnie, wykorzystywanie bydła, owiec, kóz, królików, kurcząt i innych stałocieplnych roślinożerców jako elementu łańcucha pokarmowego świadczy o wielkim marnotrawstwie. Zwierzęta zużywają większość energii roślinnej na utrzymanie stałej temperatury ciała, a spożywający mięso człowiek otrzymuje jedynie niewielką część tej energii. (Kiedyś pewien naukowiec w paru książkach przekonywał, że kozy stanowią klucz do rozwoju przyszłej gospodarki rolnej w przestrzeni kosmicznej, gdyż są nieduże, wszystkożerne, szybko rosną, dają mleko itp. Choć pochodzę z miasta, ostatnio większość czasu spędzam na terenach wiejskich i wiem, co potrafią kozy. Nie wolno dopuszczać kóz do kopuł z kevlaru, bo je zjedzą!) Z drugiej zaś strony, nawet w przypadku wartościowej rośliny, co najmniej

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 267

jej połowa nie jest przez ludzi zjadana, nie jemy na przykład korzeni, łodyg czy liści kukurydzy, ryżu czy pszenicy. Niejadalne części roślin są zakopywane w ziemi, a my pocieszamy się, że służą jako nawóz. Tymczasem jest to marnowanie energii - przecież gdyby rzeczywiście chodziło nam o użyźnianie gleby, powinniśmy zakopać całą roślinę, by uzyskać jeszcze lepszy rezultat. Wymogi oszczędności nakazują poszukać sposobu użytecznego wykorzystania niejadalnych części roślin. A więc jednak kozy? Parę kóz przydałoby się do zabawy dzieciom i aby znaleźć zajęcie dla bazowych patroli (przy słabej marsjańskiej grawitacji kozy z łatwością pokonywałyby trzymetrowe ogrodzenia). Są jednak lepsze rozwiązania. Jedno z nich proponuje wykorzystanie grzybów. Ośrodek naukowy Uniwersytetu w Purdue, prowadzący finansowane przez NASA badania nad rolnictwem w przestrzeni kosmicznej, wyodrębnił gatunek grzybów przystosowany do hodowli, w której zużywane byłyby roślinne odpadki: grzyby mogą przekształcić 70% odpadków roślinnych w jadalne białko, równie wysokogatunkowe co soja. (Z pewnością grzyby są lepsze od kóz). Szybko rosnące grzyby nie potrzebują światła: do hodowli wystarczy troszkę tlenu, ciemne, ciepłe pomieszczenie i łodygi kukurydzy. Innymi słowy, na farmę tych grzybów nadaje się chociażby ciemna garderoba. Mamy tu przykład technologii opracowanej z myślą o ekstremalnych warunkach przestrzeni kosmicznej, znajdującej jednocześnie wiele użytecznych zastosowań na Ziemi. Osoby nie lubiące grzybów i fasoli nie powinny tracić nadziei. Pewne zmiennocieplne, wszystkożerne stworzenia - ryby z rodzaju tilapii - mogą bardzo skutecznie przekształcać odpadki roślinne w wysokogatunkowe białko. Gospodarstwa rybne na Marsie? Czemu nie, w końcu tilapia nie wymaga bardzo dużego zbiornika z wodą, ponadto nie ucieknie i nie zje kopuły ochronnej.

W sadach rosnąć będą owoce, zatem do wykorzystania będzie również drewno. Nadaje się ono doskonale do wytwarzania mebli, ale może też trafiać - wraz z pozostałymi odpadami rolniczymi, zawierającymi celulozę - do przemysłu produkującego tworzywa sztuczne.

268 • CZAS MARSA

Hutnictwo na Marsie

Wszystkie cywilizacje techniczne bazują na umiejętności wytwarzania metali. Na Marsie surowce umożliwiające uzyskiwanie metali występują w dużych ilościach, większych niż na Ziemi.

Stal

Żelazo jest najobficiej występującym na Marsie metalem o zastosowaniach przemysłowych. Najczęściej wykorzystywaną przemysłowo na Ziemi rudą żelaza jest hematyt (Fe2O3), który na Marsie jest na tyle wszechobecny, że nadaje jego powierzchni charakterystyczny, czerwonawy kolor, a więc jest pośrednio odpowiedzialny za nazwę „Czerwona Planeta". Redukcja hematytu do żelaza jest prostym procesem, wykorzystywanym na Ziemi od mniej więcej trzech tysięcy lat, co wiemy ze wzmianek na ten temat, znajdujących się w Starym Testamencie i u Homera. Co najmniej dwa procesy można zastosować w marsjańskich warunkach. Pierwszy omawialiśmy już wcześniej: mam na myśli reakcję (1), wykorzystującą tlenek węgla, który powstaje w bazowym reaktorze RWGS:

Fe2O3 + 3CO -» 2Fe + 3CO2.

(4)

Druga reakcja wykorzystuje wodór, wytwarzany w trakcie elektrolizy wody:

Fe2O3

2Fe

3H2O.

(5)

Obie reakcje, (4) i (5), są egzotermiczne, zatem po rozgrzaniu reaktora do wymaganej temperatury zachodzą bez dostarczania energii. W przypadku reakcji (5) potrzebny wodór może pochodzić z elektrolizy wody odpadowej, więc wystarczy wprowadzić do reaktora hematyt. Na Marsie rozpowszechnione są wszystkie cztery podstawowe pierwiastki stopowe do produkcji stali: węgiel, mangan, fosfor i krzem, a ponadto w znacznych

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 269

ilościach obecne są dodatkowe pierwiastki stopowe: chrom, nikiel i wanad. Dodając do żelaza odpowiednie ilości tych pierwiastków, można otrzymać właściwie dowolny wybrany rodzaj stali węglowej bądź nierdzewnej.

Pewne interesujące i nowatorskie metody niskotemperaturowego odlewania metali na Marsie umożliwia obecność w bazie dużych ilości tlenku węgla, odpadu z reaktorów RWGS. Na przykład tlenek węgla i żelazo, umieszczone razem w temperaturze 110°C, dadzą pięciokarbonylek żelaza, Fe(CO)5, występujący w temperaturze pokojowej w stanie ciekłym. Związek ten, wlany do formy odlewniczej i podgrzany do temperatury około 200°C, ulega rozkładowi. Czyste żelazo pozostanie w formie, a powstały tlenek węgla może być ponownie wykorzystany. Rozkład pary karbonylowej spowoduje odkładanie się warstw żelaza, umożliwiając wyrób wydrążonych przedmiotów o dowolnie skomplikowanym kształcie. Analogiczne karbonylki powstają z połączenia tlenku węgla z niklem, chromem, osmem, rutenem, renem, kobaltem i wolframem. Karbonylki tych metali rozkładają się w nieco odmiennych warunkach, dzięki czemu ich mieszanina rozdzieli się na czyste składniki podczas prowadzenia stopniowego rozkładu (każdy metal po kolei).12

Aluminium

Drugim pod względem ważności metalem o najszerszym zastosowaniu w przemyśle na Ziemi jest aluminium. Na Marsie aluminium występuje w całkiem znacznych ilościach: stanowi około 4% wagowych materiału powierzchniowego na planecie. Niestety, zarówno na Marsie, jak i na Ziemi aluminium występuje jedynie w postaci korundu (A12O3), bardzo mocno związanego tlenku glinu. Na Ziemi wytwarzanie aluminium polega na rozpuszczeniu korundu w stopionym kriolicie w temperaturze 1000°C i poddaniu elektrolizie w obecności elektrod węglowych, które się zużywają, podczas gdy kriolit pozostaje w nie

12 J. Lewis, R. Lewis: Space Resources: Breaking the Bonds of Earth, rozdz. 9, Columbia University Press, Nowy Jork 1987.

270 • CZAS MARSA

zmienionym stanie. Na Marsie elektrody węglowe można wytwarzać poprzez pirolizę metanu, powstałego w reaktorze Sa-batiera (rozdział 6). Reakcja ma następującą postać:

A12O3 + 3C -> 2A1 + 3CO.

(6)

Pomijając nawet złożoność reakcji (6), trudno byłoby ją wykorzystać z uwagi na wysoką endotermiczność. Do wytworzenia l kg aluminium potrzeba aż 20 kWh energii elektrycznej, dlatego na Ziemi zakłady produkcji aluminium są rozmieszczone w pobliżu źródeł taniej energii, na przykład w USA w północnej części wybrzeża Pacyfiku. Jednak podczas budowy bazy na Marsie energia nie będzie tania. Reaktor jądrowy o mocy 100 kW zdołałby wytworzyć zaledwie 123 kg aluminium dziennie. Z tego powodu wytrzymałe konstrukcje budowlane będą przede wszystkim powstawać ze stali, a nie z aluminium (choć słaba marsjańska grawitacja sprawi, że stal ważyć będzie na Czerwonej Planecie tyle, co aluminium na Ziemi). Aluminium będzie stosowane w szczególnych przypadkach: m.in. w przewodach elektrycznych oraz częściach pojazdów latających, gdzie ważną rolę odgrywa wysokie przewodnictwo lub niska waga.

Krzem

W dzisiejszych czasach krzem - z uwagi na kluczową rolę w produkcji urządzeń elektronicznych - stał się trzecim (po stali i aluminium) najważniejszym metalem przemysłowym.13 Na Marsie krzem będzie jeszcze ważniejszy, gdyż umożliwi wytwarzanie baterii fotowoltaicznych, przyczyniających się do zwiększania ilości energii dostępnej w bazie. Materiał potrzebny do produkcji krzemu metalicznego, dwutlenek krzemu (SiO2), stanowi prawie 45% wagowych marsjańskiej skorupy. Wyrób krzemu polega na zmieszaniu dwutlenku krzemu z węglem i podgrzaniu mieszaniny w piecu elektrycznym. Zachodzi wtedy następująca reakcja:

13 Krzem, ściśle rzecz biorąc, jest tzw. półmetalem (przyp. red )

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 271

SiO2 + 2C -> Si + 2CO.

(7)

Pierwiastkiem potrzebnym do redukcji dwutlenku krzemu jest węgiel, produkt uboczny, powstający w układzie produkcji paliwa rakietowego. Wprawdzie reakcja (7) jest endotermiczna, jednak w stopniu bez porównania mniejszym niż redukcja korundu (6), więc zużycie energii jest także dużo niższe.

Krzem, powstający w wyniku reakcji (7), nadaje się do niektórych zastosowań: na przykład do produkcji węglika krzemu, materiału charakteryzującego się dużą odpornością na wysokie temperatury (używanego do wytwarzania płytek ceramicznych, które chronią kadłub promu kosmicznego przed nadmiernym rozgrzaniem podczas wchodzenia w atmosferę przed lądowaniem). W oczywisty jednak sposób wszelkie zanieczyszczenia hematytu, obecne w materiale dostarczanym do reaktora, również zostaną poddane redukcji, a zatem znajdą się w żelazie, używanym do produkcji krzemu. Ultraczysty krzem, konieczny do wytwarzania baterii słonecznych i elektronicznych „kości" do komputerów, można otrzymać dodając do procesu kolejny etap: kąpiel zanieczyszczonego krzemu w gorącym, gazowym wodorze, która powoduje zamianę krzemu w krzemometan (SiH4). W temperaturze pokojowej (oraz w wyższych temperaturach) krzemometan pozostaje w stanie gazowym, dzięki czemu można go łatwo oddzielić od stałych wodorków innych metali. Aby otrzymać zupełnie czysty krzem, trzeba przesłać krzemometan rurą do innego reaktora, w którym rozkłada się on na czysty krzem i wodór, nadający się do ponownego wykorzystania do produkcji krzemometanu. Wtedy krzem może już być domieszkowany fosforem czy innymi pierwiastkami, tworząc półprzewodnik dokładnie odpowiadający wybranym zastosowaniom.

Inna metoda polega na skraplaniu krzemometanu poprzez oziębienie do temperatury -112°C (łatwo osiągalnej, gdyż jest to zaledwie 20°C poniżej przeciętnej temperatury marsjań-skich nocy). Powstałą ciecz można bez trudu przechowywać przez długi czas w izolowanych zbiornikach. W jaki celu? Ponieważ krzemometan spala się w dwutlenku węgla. Właściwie

272 • CZAS MARSA

wszystkie omawiane dotąd marsjańskie paliwa rakietowe (np. me tan/tlen) wymagały wożenia w zbiornikach pojazdu mieszaniny paliwa i utleniacza. Na Ziemi postępujemy inaczej: wystarczy mieć paliwo - wszystko jedno, czy jest to benzyna w samochodzie, czy drewno do kominka - natomiast utleniacz (tlen) pochodzi z powietrza. Z reguły utleniacz stanowi 75% reagującej mieszaniny, zatem ziemska metoda jest nieporównywalnie wydajniejsza. W marsjańskiej atmosferze tlen występuje swobodnie w bardzo nieznacznej ilości. Prawie cała atmosfera Marsa to dwutlenek węgla, w którym spala się niewiele substancji. Jednak krzemometan spala się właśnie w dwutlenku węgla:

SiH + 2CO -> SiO + 2C

2H2O.

(8)

Podczas reakcji (8) paliwo składa się w 73% z dwutlenku węgla, natomiast krzemometan stanowi tylko 27%. Reakcja ta nie nadaje się do zastosowania w silnikach wewnętrznego spalania, gdyż część jej produktów to substancje w stanie stałym. Reakcję (8) można za to stosować do ogrzania kotła w silniku parowym, a także w przelotowych silnikach odrzutowych oraz systemach o napędzie rakietowym. Silnik rakietowy, wykorzystujący reakcję z mieszaniną krzemometan/dwutlenek węgla, charakteryzowałby się impulsem właściwym około 280 s. Na pierwszy rzut oka rezultat ten może wydawać się niezbyt imponujący, pamiętajmy jednak, że pojazd musi wieźć zaledwie 23% materiału napędowego. Rozważmy rakietę podróżniczą („skoczka") - nieduży pojazd rakietowy, wielokrotnie startujący i lądujący podczas podróży, który może służyć na przykład do dostarczania telerobotów w trudno dostępne miejsca. Pojazd taki nie musiałby wozić całego potrzebnego materiału napędowego: zapasy dwutlenku węgla byłyby uzupełniane przy każdym lądowaniu w bardzo prosty sposób - przez wpompowanie powietrza. Dzięki temu impuls właściwy takiej rakiety wyniósłby 280 s pomnożone przez stosunek całkowitej masy materiału napędowego do krzemometanu, równy 3,75. W ten sposób efektywny impuls właściwy sięgałby 1050 s, co jest wynikiem

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 273

przewyższającym wszelkie znane środki transportu z rakietowym napędem chemicznym.

Boroetan (B2H6) również spala się w dwutlenku węgla, dając Isp w wysokości 300 s dla mieszaniny składającej się z trzech części dwutlenku węgla na jedną część boroetanu.14

Rakieta podróżnicza, wykorzystująca boroetan/dwutlenek węgla, osiągałaby efektywny impuls właściwy 1200 s, przewyższając pod tym względem mieszaninę krzemometan/dwu tlenek węgla. W przeciwieństwie jednak do wszechobecnego krzemu, na Marsie bór jest rzadki, a proces produkcji boroetanu jest stosunkowo skomplikowany. Aby umożliwić funkcjonowanie rakiet podróżniczych, na początku można by importować z Ziemi niewielkie ilości boroetanu. (Wykorzystanie boroetanu wydaje się optymalnym rozwiązaniem podczas misji przywiezienia próbek z Marsa przez roboty). Później, gdy w bazie powstaną instalacje do wytwarzania krzemometanu, z pewnością ten miejscowy produkt całkowicie zastąpi boroetan.

Wspomnijmy, że często pojawiały się propozycje produkcji krzemu na Księżycu, co pozwoliłoby wytwarzać tam dużą liczbę baterii słonecznych. Pomysł ten napotyka poważne problemy. Wprawdzie dwutlenek krzemu występuje na Księżycu w zupełnie wystarczających ilościach, brakuje jednak węgla i wodoru, również potrzebnych do uzyskania krzemu metalicznego. W trakcie produkcji krzemu odczynniki te są ponownie wykorzystywane, lecz na pewno nie z wydajnością 100%. Produkcja krzemu czy dowolnego innego metalu na Srebrnym Globie wymagać będzie importu węgla i wodoru, a na Marsie oba te pierwiastki występują.

Miedź

Rozważmy na koniec wytwarzanie w marsjańskiej bazie miedzi - kolejnego metalu o fundamentalnym znaczeniu dla

14 R. Zubrin: Diborane/CO2 Engines for Mars Ascent Yehides, AAIA 95-2540, 31st AAIA Jonit Propulsion Conference, San Diego, Kalifornia, 10 lipca 1995. Przedruk w: „Journal of the Bntish Interplanetary Society", wrzesień 1995.

274 • CZAS MARSA

działalności przemysłowej. Miedź (nieobecna na Księżycu) została wykryta w meteorytach SNC w ilościach mniej więcej odpowiadających ziemskim. Zawartość miedzi w ziemskiej glebie jest jednak dość niska: tylko około 50 cząsteczek na milion, zbyt mało, by wydobywanie jej bezpośrednio z gleby miało sens. Najbardziej przydatną postacią miedzi są rudy miedzi - pokłady o wysokiej naturalnej zawartości pierwiastka. Na Ziemi największą wartość handlową mają siarczki miedzi. Można przypuszczać, że na Marsie, gdzie siarka występuje znacznie powszechniej niż na naszej planecie, istnieją pokłady rud miedzi - siarczków - uformowane u podłoża wypływów lawy. Jeśli uda się odnaleźć rudy miedzi, otrzymanie tego metalu nie będzie sprawiać żadnych trudności dzięki metodom wytapiania oraz ługowania, stosowanym na Ziemi już w czasach starożytnych.

Przykład miedzi przekonuje nas, że jedynym właściwie sposobem uzyskania rzadkich pierwiastków jest wydobycie lokalnych wysokogatunkowych rud. Minerały te powstają w wyniku złożonych procesów hydrologicznych i wulkanicznych, które prowadzą do odkładania się pierwiastków; a w Układzie Słonecznym tylko Ziemia i Mars mają za sobą okresy takiej aktywności. Właśnie z powodu dawnych procesów hydrologicznych i wulkanicznych powinniśmy odnaleźć na Marsie złoża prawie wszystkich metali, zarówno rzadkich, jak i powszechnie występujących, które są potrzebne do stworzenia nowoczesnej cywilizacji.

Kwestia energii

W oczywisty sposób dostępność dużych ilości energii, cieplnej i elektrycznej, jest niezbędna, by prowadzić procesy produkcyjne podczas budowy większej bazy marsjańskiej. Mimo nie-popularności takiego rozwiązania, trzeba stwierdzić, że na wczesnych etapach rozwoju bazy zdecydowanie najlepszym sposobem produkcji dużych ilości energii jest użycie reaktorów jądrowych sprowadzanych z Ziemi. Obecnie na Ziemi

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 275

energia jest produkowana w elektrowniach wodnych, podczas spalania paliw kopalnych i drewna oraz w elektrowniach jądrowych. Daleko w tyle (choć na czwartej pozycji) znajduje się energia geotermiczna, która z kolei bardzo wyprzedza energię słoneczną i energię wiatru - nie odgrywające istotnej roli. Na Marsie jednak nie wchodzi w grę ani budowa elektrowni wodnych, ani wykorzystywanie paliw kopalnych. W dalszej perspektywie doskonałe rezultaty będzie dawać energetyka wykorzystująca syntezę termojądrową, gdyż stosunek deuteru (cięższego izotopu wodoru, stanowiącego paliwo termojądrowe) do zwykłego wodoru jest na Marsie pięć razy wyższy niż na Ziemi. Niestety, dotychczas nie udało się zbudować wydajnego reaktora termojądrowego, co sprawia, że w początkowym okresie jedynym źródłem dużych ilości mocy będzie energetyka jądrowa. Reaktor jądrowy, wytwarzający przez dziesięć lat po 100 kW energii elektrycznej i 2000 kW energii cieplnej na dobę, waży zaledwie 4000 kg - czyli 4 tony - przez co jego transport z Ziemi nie będzie kłopotliwy. Dla porównania: baterie słoneczne, produkujące podobną ilość energii elektrycznej przez całą dobę (oraz 1/20 energii cieplnej reaktora jądrowego), charakteryzujące się zbliżonym czasem życia, ważyłyby około 27 ton i zajmowałyby powierzchnię 6600 m2 (mniej więcej trzy czwarte boiska do piłki nożnej). A gdybyśmy chcieli otrzymywać tyle samo energii cieplnej (potrzebnej do produkcji cegieł i wytwarzania wody), baterie słoneczne ważyłyby 540 ton i mieściły się na obszarze równym trzynastu boiskom do piłki nożnej. Oczywiście, transportowanie z Ziemi tak wielkich i ciężkich obiektów będzie niemożliwe. Zalety energii jądrowej przy zasiedlaniu Marsa są ogromne -z tego powodu na zdecydowane potępienie zasługują wysiłki administracji prezydenta Clintona, zmierzające do porzucenia amerykańskiego programu budowy kosmicznych reaktorów jądrowych. Rezygnacja z kosmicznych reaktorów jądrowych oznacza rezygnację ze zdobycia nowego świata.

W początkowym okresie funkcjonowania bazy konieczne będzie użycie energii jądrowej, później jednak bilans może ulec zmianie. W pewnym momencie znaczącą rolę zacznie,

276 • CZAS MARSA

być może, odgrywać energia pochodząca z baterii słonecznych, budowanych z lokalnych, marsjańskich surowców. Ludziom żyjącym na Czerwonej Planecie łatwiej będzie rozmieścić wyprodukowane na niej urządzenia, ważące nawet setki ton, niż sprowadzać z Ziemi cztero tonowe reaktory jądrowe.

Zaprzęganie do pracy słońca i wiatru

Na Marsie rozwinąć się może produkcja dwóch typów słonecznych źródeł energii: dynamicznych i fotowoltaicznych. Działanie systemu dynamicznego nie jest skomplikowane: paraboliczne lustra skupiają światło na kotle, ogrzewając znajdującą się wewnątrz ciecz, która następnie się rozpręża, powodując obrót turbiny prądnicy. Podobne układy, choć mają dość dużą wydajność (około 25%), dotychczas nie były stosowane w programach kosmicznych, ponieważ są uznawane za zawodne z uwagi na wykorzystanie w konstrukcji elementów ruchomych. Inaczej sytuacja będzie się przedstawiać w wypełnionej ludźmi marsjańskiej bazie, gdzie konserwacja i naprawa popsutych części nie powinna sprawiać trudności, przez co tracą na znaczeniu zastrzeżenia dotyczące dynamicznej konstrukcji układu. Ponadto właśnie nieskomplikowany pod względem technicznym charakter układu - stanowiącego nagromadzenie luster, kotłowi podobnego typu urządzeń - sprawia, że łatwiej wyobrazić sobie produkcję takich baterii na Czerwonej Planecie. Lustra mogą być wytwarzane z nadmuchiwanych tworzyw sztucznych, pokrytych bardzo cienką warstwą aluminium, poprawiającą zdolność odbijania światła. Stal nadaje się do produkcji rur, kotłów oraz wałów i łopatek turbin. Choć uzyskanie wydajności 25% wymaga dokładności nieosiągalnej w bazie marsjańskiej, nie powinno to jednak stanowić zasadniczej przeszkody. Można zaakceptować wydajność poniżej 15%. Dodatkową korzyścią, wynikającą ze stosowania tego rozwiązania, jest uzyskiwanie pokaźnych ilości energii cieplnej, mniej więcej sześciokrot-nie przewyższającej produkcję energii elektrycznej przez układ.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 277

Dynamiczne elektrownie słoneczne wymagają jednak bezchmurnego nieba. Paraboliczne lustra potrafią skutecznie skupiać tylko światło pochodzące z jednego źródła, bezpośrednio od tarczy słonecznej. Nie nadaje się do tego światło rozproszone, dobiegające ze źródła rozmytego na obszarze całego marsjańskiego nieba. Na podstawie danych zebranych przez ładowniki Yiking spodziewamy się, że odpowiednio czyste niebo występuje tylko wiosną i latem na półkuli północnej. Przez drugą połowę roku układ produkowałby bardzo niewiele energii elektrycznej. Niektóre zastosowania dopuszczają podobne wahania dostarczanej mocy: na przykład wytwarzanie metali nie musi trwać przez cały rok na okrągło. Aby jednak traktować energię słoneczną jako podstawowe źródło mocy, konieczne są bardziej niezawodne technologie.

Niewykluczone, że będą to baterie fotowoltaiczne. Przekonaliśmy się już, że na Marsie uda się wytwarzać czysty krzem metaliczny, podstawowy materiał do produkcji baterii, a także aluminium lub miedź do przewodów oraz tworzywa sztuczne do ich izolacji. Dążąc do zmniejszenia kosztów, niedawno opracowano metodę wytwarzania baterii słonecznych w postaci pojedynczych arkuszy; prawdopodobnie również na Marsie będzie to użyteczny sposób produkcji ogniw. Gdy w marsjań-skim powietrzu unosi się dużo pyłu, wydajność baterii słonecznych spada, o dziwo, tylko nieznacznie.15-16

Z wyjątkiem okresów największych burz, pył unoszący się w powietrzu podczas jesieni i zimy na półkuli północnej wprawdzie rozprasza większość światła słonecznego, zatrzymuje jednak tylko niewielką jego część. Dla baterii fotowolta-icznych kierunek nachodzącego światła jest bez znaczenia, przeciwnie niż w przypadku baterii dynamicznych. Okolicz-

15 S. Geels, J. Miller i B. Clark: Feasibility of Using Solar Power on Mars: Effects of Dust Storms on Incident Solar Radiation, AAS 87-266. [W:] C. Stoker (red.): The Case for Mars III, tom 75, Science and Technology Series of the American Astro-nautical Society, Univelt, San Diego, Kalifornia 1989.

16 R. Haberle i in.: Atmospheric Effects on the Utility of Solar Power on Mars. [W:] J. Lewis, M. Mathews i M. Guerreri (red.): Resources of Near-Earth Space, Uni-yersity of Arizona Press, Tuscon 1993.

278 • CZAS MARSA

ność ta sprawia, że na Marsie ogniwa fotowoltaiczne powinny pracować bez zarzutu przez cały rok. Ich wydajność jest dość niska, 12%, wcale nie wytwarzają energii cieplnej, ponadto nieco obniża się sprawność ogniw w wyniku osiadania pyłu -lecz działają. Poza tym pył łatwo usuną członkowie załogi ze szczotkami; można też przyczepić do baterii urządzenie z wycieraczką i osłoną przeciw wiatrowi.

Kolejny sposób na zwiększenie ilości energii dostępnej w bazie to wykorzystanie siły wiatru. Na Ziemi wiatraki były w użyciu od stuleci, a nieskomplikowana konstrukcja czyni je urządzeniami atrakcyjnymi pod względem możliwości budowy na Marsie. Podczas najsilniejszych burz pyłowych występują jednak przerwy w ich działaniu, co dyskwalifikuje je jako główne źródło mocy. Co więcej, grubość warstwy mars-jańskiego powietrza równa jest tylko 1% ziemskiej, a zmierzona przez Yikingi prędkość wiatrów powierzchniowych wynosi zaledwie 5 m/s (18 km/h), co świadczy o znikomej energii wiatru. W wyższych warstwach marsjańskiej atmosfery wiatry wieją jednak z prędkością mniej więcej 30 m/s (108 km/h): pozwoliłyby one wytworzyć za pomocą wiatraka tyle samo energii na jednostkę powierzchni, co powiew o prędkości 8 m/s (29 km/h) na Ziemi. Wielkość ta umożliwia już wykorzystanie wiatraków do zbierania energii wiatru. Podstawowym problemem byłoby skonstruowanie wiatraków sięgających wysoko nad powierzchniową, stosunkowo nieruchomą warstwę atmosfery planety. Obecnie nie znamy jeszcze rozwiązania, wiadomo tylko, że w każdym przypadku trzeba by uwzględnić lokalną specyfikę terenu. Pamiętajmy jednak, że na Czerwonej Planecie budowa wysokich konstrukcji byłaby łatwiejsza z uwagi na słabszą siłę ciążenia (38% ziemskiej) - zatem niewykluczone, że mimo wszystko warto będzie budować bardzo wysokie wiatraki, dziwaczne z punktu widzenia Ziemian.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 279

Wykorzystanie energii geotermicznej

Na wiejskich obszarach Islandii, począwszy od mniej więcej 1930 roku, starano się w miarę możliwości sytuować szkoły z internatem, podstawowe i średnie, w miejscach występowania energii geotermicznej. Dzięki temu budynki szkolne i pomieszczenia mieszkalne dla uczniów oraz nauczycieli są ogrzewane energią geotermiczną. Zwykle szkoły takie mają basen pływacki, ponadto są samowystarczalne pod względem zaopatrzenia w warzywa (pomidory, ogórki, kalafiory itd.), które rosną w szkolnych cieplarniach. Istnieje wiele takich szkół w różnych częściach wyspy, a większość z nich śluzy obecnie latem jako schroniska dla turystów. Nierzadko szkoły stają się lokalnymi centrami życia społecznego na wiejskich obszarach.

S. S. Einarson, GeothermalDistrict Heating(l973)

Wykorzystując energię słoneczną i energię wiatru, będzie można za pomocą marsjańskiego sprzętu uzyskiwać energię elektryczną wielkości kilkudziesięciu lub kilkuset kilowatów. Atrakcyjność tych rodzajów energii polega na swobodzie usytuowania baterii bądź wiatraków i decentralizacji procesu wytwarzania energii; umożliwi to zasilanie instalacji rozrzuconych po powierzchni planety, tym bardziej że przez długi czas ludzie nie będą dysponować na Marsie infrastrukturą, służącą do przesyłania energii do odległych miejsc. Z drugiej strony, stosunkowo mała produkcja mocy ze światła słonecznego i wiatru każe szukać obfitszych źródeł energii. Martyn Fogg, brytyjski naukowiec, wskazał na możliwość używania mars-jańskiej energii geotermicznej.17

Energia geotermiczna powstaje dzięki wykorzystaniu wysokich temperatur, występujących na dużych głębokościach pod powierzchnią planety, poprzez doprowadzenie do wrzenia cieczy (na przykład wody), a następnie użycie powstałej pary do poruszania turbiny prądnicy. Na Ziemi energia geotermiczna zajmuje czwartą pozycję wśród źródeł energii wykorzystywanych przez ludzkość - po spalaniu paliw, energii wodnej i jądrowej; dostarcza około 0,1% całkowitej wytwarzanej energii. Dla Islandii ciepło geotermiczne jest najważniejszym źródłem energii, zapew-

17 M. Fogg: Geothermal Power on Mars, praca przyjęta do druku w „Journal of the British Interplanetary Society".

280 • CZAS MARSA

niającym ponad 500 MW (energii cieplnej). Na Ziemi jedna studnia geotermiczna zwykle dostarcza 1-10 MW (energii elektrycznej) - niewiele jak na ziemskie standardy, byłaby to jednak spora ilość w porównaniu z potrzebami marsjańskiej bazy. Ziemskie geotermiczne stacje energetyczne takich rozmiarów można wybudować i uruchomić w sześć miesięcy od rozpoczęcia wierceń; pracują typowo przez 97% czasu swego istnienia, ustępując jedynie elektrowniom wodnym. Na Marsie stacje geotermiczne mogą okazać się nie tylko źródłami sporych ilości energii, lecz także bogatymi zasobami ciekłej wody dla bazy. W przypadku Ziemi niedogodność wiążąca się z wykorzystaniem energii geotermicznej polega na tym, że stacje energetyczne muszą znajdować się w miejscach wyznaczonych kaprysem geologicznym, często nie pokrywających się z położeniem ziemskich miast. Za to na Marsie miasta jeszcze nie powstały, zatem można będzie usytuować bazy w pobliżu cennych, podpowierzch-niowych zasobów energii geotermicznej i ciekłej wody.

Krótko mówiąc, eksploatacja energii geotermicznej byłaby niezmiernie korzystna dla marsjańskich osadników. Pojawia się pytanie, czy źródła takie występują na Marsie. Odpowiedź brzmi: prawie na pewno tak, co może wydawać się nieco zaskakujące.

Czerwona Planeta ma duże utwory wulkaniczne, na przykład na obszarze Tharsis, których powstanie datowane jest na mniej niż 200 min lat. Geolodzy Marsa uznają około 4% powierzchni planety (w przybliżeniu 5 min km2, w tym głównie północne obszary Elysium, Arcadia i Amazonia, oraz równikowy obszar Tharsis) za „górną Amazonię", co oznacza, że obszary te zostały ukształtowane przez aktywność wulkaniczną lub powodzie w ciągu ostatnich 500 min lat. Choć wydaje się, że 200-500 min lat temu to zamierzchła przeszłość, na tle liczącej 4 mld lat historii Marsa czasy te trzeba uznać za „teraźniejszość". Z geologicznego punktu widzenia 200 min lat temu to „dzisiaj". A jeśli wulkany były czynne 200 min lat temu, to równie dobrze mogą wciąż wykazywać aktywność.

Wiemy ponadto, że na Marsie występują obfite zasoby wody, a miejscami lustro ciekłej wody znajduje się prawdopodobnie na głębokości do l km pod powierzchnią planety. Jeśli na da-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 281

nym terenie zachodziły w bliskiej przeszłości procesy geotermiczne, to woda podpowierzchniowa może wciąż być wystarczająco gorąca, by stanowić użyteczne źródło energii.

Rozważmy tylko obszary tzw. górnej Amazonii, przypuszczalnie najbardziej odpowiednie, zakładając, że zostały ukształtowane równomiernie w ciągu ostatnich 500 min lat. Stąd 10% górnej Amazonii, czyli 0,5 min km2, liczy mniej niż 50 min lat; 1%, czyli 50 000 km2, można datować poniżej 5 min lat; a 0,1%, czyli 5000 km2, doświadczało aktywności w ciągu ostatnich 500 tysięcy lat.

Energii geotermicznej nie trzeba wcale eksploatować na terenie wciąż czynnym wulkanicznie, ponieważ ziemia pozostaje gorąca przez długi okres po spadku aktywności. W swoim bardzo wpływowym studium, dotyczącym zasobów energii geotermicznej na Marsie, Fogg przedstawił wyniki obliczeń przekrojów temperaturowych marsjańskiej ziemi w funkcji czasu, jaki upłynął od zakończenia aktywności wulkanicznej na danym obszarze. Tabela 7.2 zawiera podsumowanie uzyskanych przez Fogga rezultatów.

Tab. 7.2. Charakterystyka marsjańskich pól geotermicznych.

CZAS OD ZAKOŃCZENIA

AKTYWNOŚCI 0,5 5 10 20 50 >150

(W MLN LAT)

głębokość występowania

temperatury 0°C (w km) 0,29 0,65 0,91 1,29 2,04 3,53

głębokość występowania

temperatury 60°C (w km) 0,62 1,38 1,95 2,76 4,35 7,53

głębokość występowania

temperatury 100°C (w km) 0,84 1,87 2,64 3.73 5,88 -10

głębokość występowania

temperatury 200°C (w km) 1,38 3,09 4,36 6,17 9,73 -17

głębokość występowania

temperatury 300°C (w km) 1,92 4,30 6,09 8,61 -13 -24

przybliżona powierzchnia

obszaru (w tysiącach km2) 5 50 100 200 500 dużo

282 • CZAS MARSA

Należy wziąć pod uwagę, że najnowocześniejsze ziemskie technologie wiertnicze pozwalają wiercić studnie do głębokości 10 km. Na Marsie łatwiej będzie wiercić głębsze studnie z powodu mniejszej grawitacji, która słabiej zbija glebę. Obszary, które doświadczyły aktywności geotermicznej w ciągu ostatnich 5 min lat, zajmują całkiem dużą powierzchnię; najprawdopodobniej wystarczy tam wywiercić studnię głębokości zaledwie paru kilometrów, by dostać się do pokładów bardzo gorącej wody. Po wydobyciu na powierzchnię woda zostanie błyskawicznie zamieniona w parę i użyta do poruszania turbiny, wytwarzającej energię elektryczną. Na Marsie proces będzie zachodzić z większą wydajnością niż na Ziemi, gdyż niskie ciśnienie atmosferyczne pozwoli na pełniejsze rozprężenie pary przed skropleniem. Dowolnie duże ilości powstałej w ten sposób „odpadowej" wody będą zaopatrywać bazę. Reszta zostanie wysłana z powrotem na dół, aby uzupełnić podpowierzchniowe formacje wodonośne.

Eksploatacja energii geotermicznej nie jest możliwa ani na Księżycu, ani na planetoidach. Spośród wszystkich ciał naszego Układu Słonecznego jedynie Mars ma tak bogate zasoby energii, wystarczające dla potrzeb osadników.

Po początkowym okresie używania energii jądrowej wykorzystanie energii słonecznej i siły wiatru do zasilania oddalonych instalacji, uzupełnione energią geotermiczną jako podstawowym źródłem mocy dla bazy, umożliwi - pod warunkiem opracowania odpowiednich technologii eksploatacji miejscowych zasobów - dalszy, samodzielny rozwój marsjańskiej energetyki. Im większą ilością energii dysponować będzie baza, tym szybciej będzie się rozwijać, a szybszy rozwój przyniesie więcej energii. Rezultatem opanowania technik wytwarzania energii słonecznej, energii wiatru i, przede wszystkim, energii geotermicznej będzie rozbudowa bazy w tempie wykładniczym.

Znaczenie bazy dla transportu na duże odległości

Czy rozwój bazy będzie wiązać się z zaprzestaniem badań Marsa? Absolutnie nie. Nawet idealnie zlokalizowana baza potrze-

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 283

bować będzie zasobów oddalonych o dziesiątki, setki bądź nawet tysiące kilometrów. Niezbędne będą zakrojone na skalę całej planety poszukiwania i transport surowców. Rozwój bazy będzie nierozerwalnie związany z opracowaniem rozwiązań transportowych.

Sytuacja przypomina nieco historię odkrywania Antarktydy. Przed 1957 rokiem, Międzynarodowym Rokiem Geologicznym, badania Antarktydy ograniczały się do krótkich wypadów, podczas których bazą ekipy badawczej był jej własny statek. Dopiero w 1957 roku zapadła decyzja o budowie bazy ze stałym personelem przy McMurdo Sound. Obecnie baza ma wyposażenie, które umożliwia poruszanie się po Antarktydzie pojazdami mechanicznymi, helikopterami i samolotami i dotarcie do niemal każdego zakątka kontynentu. Koncentracja środków w jednym miejscu stworzyła podstawy do znacznie dokładniejszego poznania Antarktydy, niż w wypadku odbywania krótkich wypraw na psich zaprzęgach i nartach, rozpoczynanych ze statków ekspedycyjnych.

Powierzchnię Marsa jest dużo trudniej zbadać niż Antarktydę. Efektywne poruszanie się po powierzchni Czerwonej Planety wymaga możliwości latania. Do przesyłania niedużych ładunków z robotami wystarczą, być może, balony i samoloty o prędkościach poddźwiękowych. Niezawodny transport ludzi w każdych warunkach pogodowych musi jednak odbywać się za pomocą latających pojazdów o napędzie rakietowym. Mogą to być czysto balistyczne pojazdy rakietowe, opuszczające po starcie marsjańską atmosferę, by dolecieć na drugą półkulę, albo też samoloty rakietowe, lecące z prędkością naddźwięko-wą. Oba rakietowe środki transportu wiążą się z zużyciem wielkich ilości materiałów napędowych, które można zapewnić tylko poprzez produkcję paliwa na Marsie.

Rozważmy na przykład pilotowaną marsjańską rakietę balistyczną o masie 10 ton, napędzaną silnikami rakietowymi na metan/tlen o Isp 380 s. Powiedzmy, że chcemy odbyć lot na odległość 2600 km (45° szerokości lub długości geograficznej na Marsie), wylądować, a następnie powrócić bez ładunku. Wykonanie podobnego manewru wymaga stosunku mas, wynoszące-

284 • CZAS MARSA

go około 7, zatem konieczne byłoby 60 ton materiału napędowego. Przy użyciu samolotu rakietowego o masie 15 ton (dodatkowe obciążenie stanowią skrzydła) o stosunku lotu ślizgowego do lotu z obciążeniem (L/D) równym 4, stosunek mas wyniósłby mniej więcej 5, czyli znów konieczne byłoby 60 ton paliwa. Nie ulega wątpliwości, że loty takich pojazdów rakietowych będą możliwe wyłącznie wtedy, gdy na Marsie paliwo będzie produkowane z lokalnych surowców, w tym - z wodoru.

Na Marsie wymóg zabrania ze sobą wystarczających ilości paliwa na odbycie drogi w obie strony ogranicza zasięg wypraw odkrywczych w pojazdach rakietowych o napędzie chemicznym do 4000 km. Wyposażenie pojazdu w aparaturę, pozwalającą samodzielnie wytwarzać paliwo zaraz po lądowaniu, pozwoli pokonać granicę 4000 km. Niestety, produkcja dwuskładnikowych mieszanin napędowych uniemożliwia zastosowanie takiego rozwiązania, gdyż wiązałoby się to ze zużyciem zbyt dużych ilości energii (w przybliżeniu 5 kWh na kilogram materiału napędowego), a potrzebna do tego instalacja jest zbyt duża, by zmieścić się na poruszającym się pojeździe latającym. Parę lat temu wpadłem jednak na pomysł pojazdu - nazwałem go NIMF (rakieta o napędzie jądrowym, wykorzystująca lokalne paliwo marsjańskie, ang. Nuclear Rocket Using Indigenous Martian Fuel) - pozwalającego uporać się z tym problemem.18-19

NIMF wykorzystuje jako materiał napędowy atmosferyczny dwutlenek węgla w postaci surowej, podgrzewany w termicznym silniku jądrowym (NTR) w celu wytworzenia gorących gazów odrzutowych. Silniki rakiet NTR nie przekształcają powstałej energii cieplnej w energię elektryczną, więc - eliminując potrzebne do tego mechanizmy, które stanowią większość masy reaktora - uzyskamy lekkie i nieduże urządzenie. Zużycie energii elektrycznej na pokładzie rakiety NIMF będzie niewielkie dzięki zastosowaniu atmosferycznego dwutlenku węgla

18 R. Zubrin: Nuclear Thermal Rockets Using Indigenous Martian Propellant, AIAA-89-2768, AIAA/ASME 25th Joint Propulsion Conference, Monterey, Kalifornia, lipiec 1989.

19 R. Zubrin: Long Rangę Mobility on Mars, „Journal of the British Interplane-tary Society", tom 45 (maj 1992), str. 203-210.

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 285

jako materiału napędowego, ze względu na niskie (poniżej 0,3 kWh na kilogram) wymagania energetyczne uzyskiwania dwutlenku węgla w drodze bezpośredniego sprężania powietrza; dodatkowo pozbywamy się całej aparatury chemicznej. Bez wątpienia gorący dwutlenek węgla z impulsem właściwym 260 s nie jest wysokogatunkowym paliwem rakietowym. Cóż, poszukiwacze złota i odkrywcy potrzebują mułów, żywiących się karłowatą górską roślinnością, a nie wrażliwych koni wyścigowych, przyzwyczajonych do przednich pasz, nie spotykanych w dzikich ostępach. NIMF idealnie nadaje się do podróży po Marsie właśnie z uwagi na zdolność konsumowania materiałów występujących ma miejscu. Dzięki pojazdom rakietowym o termicznym napędzie jądrowym na lokalne, marsjań-skie paliwo, odkrywcy Czerwonej Planety zyskają naprawdę globalną zdolność poruszania się: będą mogli „przeskakiwać" z miejsca na miejsce, tankując po każdym lądowaniu. Rakiety balistyczne i samoloty rakietowe przedstawione są na planszach 23 i 24 (wkładka).

Specyficzny tryb pracy NIMF zapewni różnorakie korzyści. Ominięcie wymogu wożenia na pokładzie paliwa na drogę powrotną daje tym rakietom prawdziwie globalny zasięg pomimo Isp mniejszego od rakiet o napędzie chemicznym, mających zasięg ograniczony nawet przy najwyższej klasy materiale napędowym. Wytworzenie 60 ton mieszaniny napędowej metan/tlen, potrzebnej do pojazdów o rakietowym napędzie chemicznym, wymagałoby całej energii produkowanej przez bazowy reaktor o mocy 100 kW przez 123 dni. Na wyprawy rakietami NIMF nie trzeba zabierać z bazy żadnego paliwa, ani wodoru, ani wody. Jedynym odczuwanym w bazie obciążeniem związanym z lotami rakiet NIMF byłaby konieczność obsadzenia ich załogami oraz przeprowadzanie konserwacji i napraw. Kolejna korzyść z posiadania NIMF to zdolność błyskawicznego przewożenia większych ładunków z jednego miejsca powierzchni planety w inne, dowolnie wybrane. W razie potrzeby NIMF o masie 40 ton będzie mógł szybko polecieć na drugi koniec planety i wrócić z 20 tonami rudy siarczkowej. Żaden inny środek transportu nie oferuje takich możliwości.

286 • CZAS MARSA

W rozdziale 3 pisałem, że przed opracowaniem projektu misji Mars Direct opowiadałem się za wysłaniem ludzi na Mai są za pomocą jednej ciężkiej rakiety nośnej, wykorzystując następnie termiczny silnik jądrowy (NTR) do umieszczenia statku na trajektorii międzyplanetarnej, wiodącej w kierunku Czerwonej Planety. Natomiast do podróżowania po planecie posłużyłaby rakieta NIMF. Z czasem porzuciłem tę koncepcję na rzecz projektu Mars Direct, gdyż technologie napędu NTR i NIMF są zbyt zaawansowane, by je stosować podczas pierwszych, odkrywczych wypraw na Marsa. Wprawdzie misje wykorzystujące rakiety NTR i NIMF wyglądałyby bardzo atrakcyjnie, czas przeznaczony na ich opracowanie byłby jednak za długi i musielibyśmy zwlekać z pierwszymi lotami. Pomimo tego należy pamiętać, że technologia NIMF daje wyjątkowo potężne i przydatne podczas rozwoju marsjańskiej bazy możliwości. Dlatego w perspektywie długofalowej obecności na Marsie warto przeznaczyć duże środki na opracowanie pojazdów rakietowych NIMF. Jeśli pojawią się w parę lat po rozpoczęciu budowy bazy, zyska ona dostęp do zasobów całej planety.

Początki kolonizacji

Pierwsi astronauci spędzą na Marsie osiemnaście miesięcy i wrócą przy pierwszej dogodnej okazji, gdy konfiguracja planet umożliwi start i lot po korzystnej trajektorii. Jednak w miarę rozwoju bazy i poprawy warunków życiowych na Marsie niektórzy zdecydują się wydłużyć okres pobytu na Czerwonej Planecie ponad zasadnicze półtora roku „służby" i zostać tam przez cztery, sześć lub jeszcze więcej lat. Z pewnością kierownicy programu będą do podobnego zachowania zachęcać poważnymi korzyściami finansowymi, gdyż większość kosztów misji wiąże się z transportowaniem ludzi w obie strony. Im dłużej będzie funkcjonować marsjańska baza, tym potrzebniejsze stanie się opracowanie technologii jak najtańszego transportu międzyplanetarnego. Może do tego dojść albo w wyniku działalności rządowej, albo wolnej konkurencji prywatnych

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 287

przewoźników na rynku transportu międzyplanetarnego. Gdy już na powierzchni Marsa przebywać będą ludzie, podróż i pobyt na planecie staną się jeszcze tańsze. Z czasem do bazy będzie przybywać coraz więcej ludzi; więcej osób będzie też przedłużać swój pobyt, dzięki czemu populacja marsjańskiej bazy zacznie przypominać ludność miasteczka - a w końcu stanie się ona miastem.

Będzie to początek kolonizacji Marsa.

ROZDZIAŁ 8

KOLONIZACJA MARSA

Propozycja została podana do wiadomości publicznej, do rozważenia wszystkim, i sprowokowała rozmaite opinie, w tym wiele obaw i niepokojów. Niektórzy, kierowani własnymi motywami i nadziejami, starali się wzniecić zapał i zachęcić pozostałych, inni, przeciwnie, opierali się z powodu strachu, wynajdując wiele rzeczy, i to całkiem prawdopodobnych; ponieważ w grę wchodziło wielkie zadanie, podczas którego przytrafić się może wiele niebezpieczeństw i zagrożeń. [...] W odpowiedzi stwierdzono, iż wszystkim wielkim i chwalebnym dziełom towarzyszą wielkie trudności, które muszą być pokonane z odwagą i przedsiębiorczością.

GUBERNATOR WILLI AM BRADFORD, OfPlimoth Plantation (1621)

W poprzednich rozdziałach kwestię ludzkich możliwości osiedlania się na Marsie rozważaliśmy głównie z technicznego punktu widzenia. Uzmysłowiliśmy sobie, że używając współczesnych technologii można w ciągu 10 lat wysłać na Marsa załogową wyprawę za cenę do przyjęcia przez rząd USA. Przekonaliśmy się, że nieznacznie poszerzając plan w ciągu pierwszych kilkudziesięciu lat po pierwszym lądowaniu można na powierzchni Marsa zbudować bazę zdolną pomieścić i utrzymać dziesiątki lub nawet setki ludzi - którzy bezbłędnie opanują techniki eksploatacji miejscowych zasobów naturalnych i przygotują Czerwoną Planetę dla milionów ludzi.

Doszliśmy więc do kluczowej fazy procesu: osiedlania. Czy Mars naprawdę nadaje się do kolonizacji? Z technicznego punktu widzenia możemy robić na Marsie dowolne rzeczy, w tym również go terraformować - przekształcić planetę z wyziębłej i jałowej w ciepłą i wilgotną. Na ile nas jednak stać? Prawdopodobnie odkrywanie, badanie Marsa i budowanie bazy będzie finansowane ze źródeł rządowych, w fazie osadnictwa jednak zaczynają odgrywać rolę czynniki ekonomiczne. Mars-jańska baza nawet dla kilkuset osób może być jeszcze finansowana przez rząd, lecz tworzenie marsjańskiego społeczeństwa, liczącego kilkaset tysięcy ludzi, już nie. Aby dobrze funkcjono-

CZAS MARSA • 289

wać, cywilizacja Czerwonej Planety musi być albo zupełnie samowystarczalna (co jest mało prawdopodobne w przewidywalnej przyszłości), albo produkować i eksportować pewne produkty, by pokryć koszty importu.

Przyszłość Marsa - całej planety, a nie tylko ludzkiej cywilizacji na Marsie - będzie od tego zależeć. Jeżeli założenie na Marsie ludzkiej cywilizacji jest możliwe, to populacja marsjań-skiej kolonii oraz zdolności przekształcania planety będą rosnąć. Mars miał kiedyś umiarkowany klimat i możliwe będzie przywrócenie tego stanu. Powinniśmy rozumieć, że powodzenie lub niepowodzenie terraformowania Marsa jest konsekwencją ekonomicznej opłacalności kolonizacji Czerwonej Planety.

Dlatego główne zastrzeżenie zgłaszane w stosunku do planów kolonizacji i terraformowania Marsa brzmi następująco: Projekty te są wprawdzie wykonalne z technicznego punktu widzenia, kto jednak za nie zapłaci? Na pierwszy rzut oka argument wydaje się przekonujący, gdyż Mars jest miejscem bardzo oddalonym, trudno osiągalnym, o nieprzyjaznym środowisku i bez zasobów o widocznej wartości ekonomicznej. Choć może się wydawać, że trudno te argumenty obalić, należy pamiętać, iż w przeszłości podobne zarzuty wysuwano po to, by udowodnić zupełny brak rozsądnych podstaw do zasiedlania przez Europejczyków Ameryki Północnej i Australii. Niewątpliwie problemy natury technologicznej i ekonomicznej, związane z kolonizacją Marsa, są zupełnie innego rodzaju niż problemy wiążące się z kolonizacją Nowego Świata. A jednak jestem przekonany, że argumenty takie charakteryzuje ta sama fałszywa logika, która przez 400 lat po odkryciach Kolumba wielokrotnie podsuwała rządom europejskim niepoprawne oceny szans osadnictwa (w przeciwieństwie do perspektyw rozwoju placówek handlowych, plantacji oraz zakładów eksploatacyjnych).

Podczas okresu świetności swego światowego imperium Hiszpanie nie interesowali się wcale kontynentem północnoamerykańskim, uważali go za bezwartościowe, dzikie tereny. W 1781 roku, gdy Cornwallisa zmuszono do poddania w York-

290 • CZAS MARSA

town, Anglicy rozmieścili flotę na Morzu Karaibskim, by bronić przed Francuzami paru wysepek, przynoszących wysokie dochody z plantacji cukru. W 1803 roku Bonaparte sprzedał jedną trzecią obecnych Stanów Zjednoczonych za dwa miliony dolarów. W 1867 roku car Rosji sprzedał Alaskę za podobnie mizerną sumę. O istnieniu Australii Europejczycy wiedzieli 200 lat wcześniej, zanim przybyli założyć pierwsze kolonie, a jednak przed rokiem 1830 żadne europejskie państwo nie pofatygowało się, by objąć kontynent we władanie. Przytoczone przykłady krótkowzrocznej polityki są dziś symboliczne. Świadczą o uporczywej ślepocie panującej wśród rządzących i grup kształtujących politykę, a także o braku rozeznania prawdziwych źródeł bogactwa i władzy. Sądzę, że za 200 lat obojętność współczesnych rządów wobec wartości ciał niebieskich będzie przez przyszłych historyków oceniana podobnie.

Jest prawie niemożliwością przewidzieć, które przedsięwzięcia będą opłacalne za 200 lat; dotyczy to zresztą również perspektywy 50 lub 100 lat. Pomimo to postaram się w rozdziale tym pokazać, dlaczego i w jaki sposób kolonizacja Marsa może dobrze funkcjonować od strony gospodarczej oraz dlaczego sukces ekonomiczny kolonizacji Marsa w dłuższej perspektywie okaże się kamieniem milowym na drodze opanowywania przez człowieka ciał Układu Słonecznego. Choć od czasu do czasu będę przywoływał historyczne analogie, moje wywody nie będą miały historycznego charakteru. W większym stopniu odwołują się do przypadku Marsa - z jego wyjątkowymi cechami, zasobami naturalnymi, wymogami technologicznymi i powiązaniami z innymi ciałami Układu Słonecznego.

Wyjątkowość Marsa

Proponując jakieś przedsięwzięcie, na przykład realizację biznesplanu, należy zebrać i przedstawić listę zalet i korzyści, wynikających z projektu. Trzeba powiedzieć, pod jakim względem przewyższamy konkurencję. A więc co takiego może nam dać Czerwona Planeta?

KOLONIZACJA MARSA • 291

Wśród ciał niebieskich Układu Słonecznego Mars jako jedyny (z wyjątkiem Ziemi) ma wszystkie surowce, potrzebne nie tylko do podtrzymywania życia, lecz wystarczające, aby być podstawą rozwoju nowej cywilizacji. Wyjątkowość Marsa staje się oczywista, gdy porównamy go z Księżycem - drugim najczęściej wymienianym miejscem podczas dyskusji o kolonizacji kosmosu.

W przeciwieństwie do Księżyca, Mars obfituje w węgiel, azot, wodór i tlen, występujące w biologicznie akceptowalnych i dość łatwo dostępnych formach, jak m.in. gazowy dwutlenek węgla, gazowy azot, lód wodny i zmarzlina. Na Księżycu węgiel, azot i wodór występują w śladowych ilościach - parę cząsteczek na milion. Na Księżycu można znaleźć obfitość tlenu, lecz w niewygodnej postaci tlenków, jak na przykład dwutlenek krzemu (SiO2), tlenek żelaza (Fe2O3), tlenek magnezu (MgO) i tlenek glinu (A12O3), których redukcja wymaga dostarczenia ogromnych ilości energii. Według współczesnych ocen, gdyby na Marsie stopniały wszystkie lody i cała zmarzlina (a powierzchnia planety byłaby płaska), planeta zostałaby pokryta oceanem o głębokości 100 m. Sytuacja całkowicie odmienna niż na Księżycu, który jest tak suchy, że gdyby kolonizatorzy odnaleźli na jego powierzchni beton, zabraliby się do wydobywania z niego wody za pomocą materiałów wybuchowych. Gdyby więc na Księżycu rosły w szklarniach rośliny (co jest mało prawdopodobne), większość ich biomasy pochodziłaby z importu.

Na Księżycu brakuje także około połowy metali, potrzebnych cywilizacji przemysłowej (np. miedzi), a także wielu innych ważnych pierwiastków, takich jak siarka i fosfor. Na Marsie wszystkie potrzebne pierwiastki występują w dużych ilościach. Ponadto na Marsie, podobnie jak na Ziemi, miały miejsce procesy hydrologiczne i wulkaniczne, które doprowadziły do powstania złóż wysokogatunkowych rud mineralnych, zawierających w dużych stężeniach rozmaite pierwiastki. Nie bez powodu historię geologiczną Marsa porównywano do historii geologicznej Afryki1, wyciągając wielce optymistyczne wnio-

1 B. Cordell: A Prehminary Assessment of Martian Natural Resource Potential, AAS 84-185. [W:] C. McKay (red.): The Case for Mars, t. 62, Science and Technology Se-ries of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego, Kalifornia 1985.

292 • CZAS MARSA

ski co do bogactwa obecnych na Czerwonej Planecie minerałów. Natomiast na Księżycu nie było aktywności hydrologicznej ani wulkanicznej, w wyniku czego stanowi on mieszankę skalnych śmieci o znikomym zróżnicowaniu na rudy mineralne.

Wykorzystując baterie słoneczne, energię można wytwarzać równie dobrze na Księżycu, co i na Marsie. Korzyści wynikające z braku atmosfery na Księżycu i bliskości Słońca są równoważone przez duże trudności związane z przechowywaniem wyprodukowanej energii podczas księżycowej doby, liczącej 28 ziemskich dni. Gdybyśmy jednak chcieli produkować baterie słoneczne, rozbudowując w ten sposób bazę energetyczną, Mars ma nad Księżycem dużą przewagę, gdyż na Czerwonej Planecie występują duże zapasy węgla i wodoru, potrzebnych do produkcji czystego krzemu, niezbędnego do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych i elektroniki. Poza tym Mars (w przeciwieństwie do Księżyca) stwarza szansę wykorzystania energii pochodzącej z wiatru. Zarówno energia słoneczna, jak i energia wiatru w niewielkim jednak stopniu zaspokoją potrzeby - dostarczą zaledwie dziesiątki lub w najlepszym razie setki kilowatów. Aby dać podstawy cywilizacji, należy zapewnić potężniejszą bazę energetyczną. Mars oferuje takie możliwości zarówno w krótkiej, jak i dłuższej perspektywie dzięki posiadanym zasobom energii geotermicznej, które pozwolą na założenie większej liczby lokalnych stacji generatorów elektrycznych o mocy 10 MW. W dłuższej perspektywie marsjańska gospodarka będzie dysponować bogatą bazą energetyczną w postaci dużych zasobów paliwa deuterowego do reaktorów termojądrowych. Na Czerwonej Planecie deuter występuje w ilościach pięć razy większych niż na Ziemi, a dziesiątki tysięcy razy większych niż na Księżycu.

Jak już wspomniałem w rozdziale 7, podstawowym problemem, wiążącym się z planami założenia kolonii na otwartej przestrzeni na pozbawionych atmosfery ciałach niebieskich Układu Słonecznego, takich jak Księżyc, jest brak światła w postaci nadającej się do uprawy roślin. Na Ziemi jeden akr powierzchni uprawnej wymaga 4 MW energii słonecznej, jeden kilometr kwadratowy - 1000 MW. Cała energia wytwarzana

KOLONIZACJA MARSA • 293

przez człowieka na Ziemi nie wystarczyłaby do oświetlenia niewielkiego stanu Rhode Island - potentata rolniczego. Z ekonomicznego punktu widzenia uprawa roślin wykorzystująca światło elektryczne jest przedsięwzięciem beznadziejnym. Na Księżycu i innych pozbawionych atmosfery ciałach niebieskich naturalne światło słoneczne można wykorzystać dopiero po ustawieniu wokół szklarni ścian tak grubych, by chroniły przed promieniowaniem pochodzącym z rozbłysków słonecznych; wymóg ten prowadzi do istotnego wzrostu kosztów tworzenia upraw w kosmosie. Na Księżycu krok taki na nic by się zdał, ponieważ rośliny i tak nie będą rosły w cyklu dobowym, liczącym 28 dni.

Marsjańska atmosfera jest wystarczająco gruba, by osłonić przed rozbłyskami słonecznymi uprawy na powierzchni planety. Dlatego przestrzeń pod uprawy można znacznie powiększyć, stosując nadmuchiwane cieplarnie o cienkich, wykonanych z tworzyw sztucznych ściankach, chronione przed promieniowaniem przez bezciśnieniowe kopuły, wykonane z twardego tworzywa sztucznego, nie przepuszczającego promieniowania nadfioletowego. Na Księżycu uprawa roślin w tego rodzaju szklarniach nie byłaby możliwa, nawet gdyby nie zagrażało im promieniowanie rozbłysków słonecznych i długi, prawie miesięczny cykl dobowy, ponieważ wewnątrz szklarni powstawałyby zbyt wysokie temperatury. Inaczej sytuacja przedstawia się na Marsie, gdzie silny efekt cieplarniany jest potrzebny, by osiągnąć umiarkowany klimat. Kopuły do upraw rolniczych, o średnicach do 50 m, są na tyle lekkie, że w początkowym okresie można je przywozić z Ziemi, natomiast później będą produkowane na Marsie z lokalnych zasobów. Ponieważ na Czerwonej Planecie występują wszystkie materiały potrzebne do produkcji tworzyw sztucznych, możliwe będzie błyskawiczne powiększenie powierzchni marsjańskich upraw dzięki wytwarzaniu i rozmieszczaniu sieci kopuł o średnicach 50-100 m. Kopuły nadają się również do tego, by osłaniać otwarte przestrzenie przeznaczone dla ludzi - z atmosferą i temperaturą pozwalającymi ubierać się w koszule z krótkim rękawem. Opisywane możliwości stanowią jedynie początek

294 • CZAS MARSA

drogi, ponieważ, jak się przekonamy w rozdziale 9, z czasem ludzie zdołają zwiększyć grubość i ciśnienie marsjańskiej atmosfery, zmuszając skalny regolit planety do wydzielania gazów w ramach rozmyślnego programu sztucznie wywołanego globalnego ocieplenia klimatu na Marsie. Gdy to się już uda, kopuły będą mogły mieć dowolnie duże rozmiary, ponieważ zniknie wymóg równoważenia różnicy ciśnienia między wnętrzem kopuły a zewnętrzną atmosferą. Można wtedy będzie również uprawiać gatunki roślin specjalnie przystosowane do hodowli na zewnątrz kopuł.

Warto zaznaczyć, że - w przeciwieństwie do pozostałych ciał niebieskich, potencjalnie nadających się do kolonizacji - na Marsie osadnicy nie będą żyć w zakrytych tunelach, lecz będą mogli poruszać się swobodnie po powierzchni planety i uprawiać rośliny w świetle dnia. Mars jest środowiskiem, w którym ludzie mogą żyć i rozmnażać się, korzystając z rzeczy wytworzonych na Marsie z miejscowych surowców. Czerwona Planeta będzie czymś więcej niż tylko placówką naukową i górniczą; to miejsce, gdzie naprawdę może się rozwijać ludzka cywilizacja. Dla handlu międzyplanetarnego znaczenie będzie miało to, że Mars i Ziemia to jedyne ciała w Układzie Słonecznym, na których można produkować żywność na eksport.

Handel międzyplanetarny

Mars jest idealnym obiektem, by rozpocząć jego kolonizację, ponieważ łatwo może stać się samowystarczalny. Dopóki jednak populacja na Marsie nie będzie liczyć milionów osób, planeta nie stanie się samowystarczalna. Dlatego przez stulecia (a niewykluczone, że zawsze) będzie trwał import z Ziemi towarów, których produkcja wymaga wyspecjalizowanych technologii. Towary takie nie powinny mieć dużej masy, ponieważ tylko niewielka część (wagowo) najbardziej zaawansowanych technologicznie towarów jest rzeczywiście złożona. Niemniej za nowoczesne urządzenia, których cena dodatkowo znacznie wzrośnie z powodu wysokich kosztów transportu międzyplane-

KOLONIZACJA MARSA • 295

tarnego, trzeba będzie zapłacić. Czym Mars zapłaci za towary importowane z Ziemi?

W opinii wielu osób kwestia ta przesądza o niewykonalności kolonizacji Marsa, a przynajmniej mniejszej opłacalności tego przedsięwzięcia od kolonizacji Księżyca. Dużą wagę przywiązywano na przykład do tego, że na Księżycu są zasoby helu 3, izotopu nie występującego na Ziemi, stanowiącego paliwo, które będzie można wykorzystać w przyszłych reaktorach termojądrowych drugiej generacji. Na Marsie nie zidentyfikowano zasobów helu 3, ale, z drugiej strony, z powodu złożonej historii geologicznej występują tam rudy metali oraz minerałów o znacznie wyższych stężeniach niż na Ziemi, ponieważ na naszej planecie ludzie wykorzystują rudy od pięciu tysięcy lat. W pracy napisanej przed paru laty z Davidem Bakerem wykazaliśmy, że jeśli na Marsie występują złoża metali o wartości równej lub wyższej od wartości srebra (czyli: srebro, german, hafn, lantan, cer, ren, samar, gal, gadolin, złoto, pallad, iryd, rubid, platyna, rod, europ i inne), to wydobywanie ich i transport na Ziemię przyniosłoby znaczny zysk.2 Nadające się do ponownego wykorzystania marsjańskie rakiety, które wynosiłyby pojedyncze stopnie na orbitę, takie jak NIMF (omawiane w rozdziale 7), mogłyby dowozić na orbitę okołomarsjańską ładunki, przeznaczone do transportu na Ziemię, wykorzystując albo tanie, jednorazowe, wyprodukowane na Marsie stopnie chemiczne, albo cykliczne statki międzyplanetarne wielokrotnego użytku, napędzane energią słoneczną lub energią pola magnetycznego. (Podrozdział „Zaawansowany transport międzyplanetarny", znajdujący się na końcu tego rozdziału, przedstawia te zaawansowane systemy napędu rakietowego). Pamiętajmy jednak, że występowanie na Marsie tak cennych rud metali wciąż pozostaje w sferze hipotez.

Pewien surowiec o wartości handlowej można jednak znaleźć na Marsie z całą pewnością, i to w dużych ilościach - deu-

2 R. Zubrin i D. Baker: Mars Direct, Humans to the Red Planet by 1999, IAF 90-672, 41st Congress of the International Astronautical Federation, Drezno, październik 1990. Przedruk w „Acta Astronautica", tom 26, nr 12 (1992), str. 899-912.

296 • CZAS MARSA

ter. Deuter, cięższy izotop wodoru, na Ziemi występuje w liczbie 166 atomów na milion atomów wodoru, na Marsie zaś -w liczbie 833 na milion atomów wodoru. Deuter jest nie tylko paliwem reaktorów termojądrowych pierwszej i drugiej generacji, lecz również kluczowym surowcem we współczesnym przemyśle energetycznym. Dysponując wystarczającą ilością deuteru, można spowalniać reakcję, która zachodzi w reaktorze jądrowym, za pomocą ciężkiej wody zamiast zwykłej, „lekkiej wody"; a reaktor, spowalniany ciężką wodą, wykorzystuje naturalny, nie wzbogacony uran. Obecnie kanadyjskie reaktory jądrowe CANDU, które pracują na naturalnym paliwie uranowym, są właśnie spowalniane ciężką wodą. Z procesem tym wiąże się, niestety, pewien problem: trzeba dokonać elektrolizy 30 ton zwykłej, lekkiej wody, by uzyskać kilogram deuteru - oznacza to, że jeśli nie dysponujemy źródłem bardzo taniej energii hydroelektrycznej, proces będzie tak drogi, że aż nieopłacalny. (Z tego względu podczas drugiej wojny światowej Niemcy usytuowali placówki, produkujące w ramach programu budowy bomby atomowej ciężką wodę, niedaleko norweskich tam i elektrowni hydroelektrycznej w Yemork. Gdy w 1943 roku, w wyniku działań norweskiego ruchu oporu i nalotów amerykańskich bombowców B-17, tama i elektrownia zostały zniszczone, niemiecki program atomowy legł w gruzach). Nawet gdy się ma tanią energię hydroelektryczną, deuter pozostaje bardzo drogi - obecnie na Ziemi kilogram deuteru kosztuje 10 tysięcy dolarów, czyli 70% ceny kilograma złota; jest więc 50 razy droższy niż srebro. Tyle wynoszą ceny w czasach, gdy jeszcze nie wykorzystuje się energii termojądrowej. Kiedy uruchomione zostaną pierwsze elektrownie termojądrowe, ceny deuteru skoczą w górę. Jak już wspominałem w poprzednich rozdziałach, marsjańska baza będzie zużywać większość energii w procesach elektrolizy, służących do podtrzymywania rozmaitych procesów chemicznych oraz funkcji życiowych załogi. Dodanie podczas produkcji wodoru (w trakcie procesów elektrolizy, związanych z funkcjonowaniem marsjańskiej bazy), przed ponownym wprowadzeniem go do obiegu, jeszcze jednego etapu technologicznego, polegają-

KOLONIZACJA MARSA • 297

cego na oddzieleniu wodoru od deuteru, sprawi, że na każde 6 ton wyprodukowanego wodoru będziemy otrzymywać, jako produkt uboczny, kilogram deuteru. W ciągu (ziemskiego) roku każdy mieszkaniec Marsa zużyje około 10 ton wody, uzyskanej w wyniku elektrolizy. Jeżeli przyjąć, że dwukrotnie większe zapotrzebowanie będzie wynikało z rozmaitych przemysłowych procesów obróbki materiałowej, okazuje się, iż dla zaspokojenia potrzeb 200-tysięcznej kolonii na Marsie trzeba przeprowadzić elektrolizę 6 min ton wody. W wyniku tego otrzymamy 1000 ton deuteru rocznie - ilość wystarczającą do wyprodukowania 11 TW (terawatów) energii elektrycznej, co odpowiada mniej więcej ilości energii, zużywanej obecnie przez całą ziemską cywilizację. Przy dzisiejszych cenach deuteru oznacza to roczny dochód z eksportu na Ziemię w wysokości 10 mld dolarów - jest to suma odpowiadająca dochodom z eksportu znacznie liczebniejszego ziemskiego państwa. (Na przykład Nowa Zelandia wyeksportowała w 1994 roku 11,2 mld dolarów brutto, chociaż ma tylko 3,4 min obywateli). Przy obecnych stawkach, wynoszących średnio 5 centów na kilowatogodzinę energii elektrycznej, wartość całkowitej energii elektrycznej, wytwarzanej dziś na naszej planecie, wynosi około 5 bilionów dolarów rocznie.

Kolejnym marsjańskim towarem eksportowym mogą być pomysły. Podobnie jak niedostatek siły roboczej w Ameryce w czasach kolonialnych oraz w XIX wieku przyczyniły się do powstania „jankeskiej zaradności", skrajny brak siły roboczej na Marsie oraz wysoka kultura techniczna będą bodźcami, kierującymi marsjańską zaradność ku kolejnym wynalazkom w takich dziedzinach, jak wytwarzanie energii, automatyka, robotyka, biotechnologia i inne. Opatentowane na Ziemi mars-jańskie wynalazki będą wspierać finansowo Czerwoną Planetę, doprowadzając do znacznego podniesienia ziemskich standardów życiowych; podobnie w XIX wieku amerykańskie wynalazki zmieniły życie w Europie, a w końcu - na całym świecie.

Wynalazki, bez których marsjańską cywilizacja się nie obejdzie, mogą uczynić Czerwoną Planetę bogatą. Wynalazki i bez-

298 • CZAS MARSA

pośredni eksport na Ziemię nie będą jednak jedynymi sposobami zdobycia na Marsie bogactwa. Pozostanie jeszcze handel, wspomagający operacje górnicze w pasie planetoid, składającym się z niedużych, bogatych w minerały ciał niebieskich, krążących między orbitami Marsa i Jowisza.

Musimy zdać sobie sprawę ze współzależności energetycznych między Ziemią, Księżycem, Marsem oraz pasem planetoid. Pas planetoid należy wziąć pod uwagę, ponieważ wiadomo, że występują tam rudy minerałów bardzo wysokiej klasy, w środowisku o słabej grawitacji, a zatem łatwo je stamtąd wysyłać na Ziemię3. John Lewis z Uniersytetu Stanu Arizona rozważał przypadek zwykłej planetoidy o średnicy około l km. Planetoida taka miałaby masę mniej więcej 2 mld ton, z czego 200 min ton to byłoby żelazo, 30 min ton - wysokiej jakości nikiel, 1,5 min tony - kobalt, metal o strategicznym znaczeniu, a 7500 ton - mieszanina metali z grupy platynowców o rynkowej wartości sięgającej 20 tysięcy dolarów za kilogram. Daje to 150 mld dolarów za same platynowce. Przeprowadzone obliczenia są uzasadnione, ponieważ skład chemiczny planetoid znamy dość dobrze dzięki analizie pochodzących z nich meteorytów. W meteorycie nikiel stanowi 6-30% metali, kobalt 0,5-1%, a platynowce występują w co najmniej 10 razy wyższych stężeniach niż w ziemskich rudach. Co więcej, ponieważ planetoidy zawierają również sporo węgla oraz tlenu, wszystkie wspomniane metale można wydzielić za pomocą prostej chemicznej rafinacji metali, wykorzystującej tlenek węgla (rozdział 7).

Obecnie znamy około 5000 planetoid, z których 98% znajduje się w pasie głównym, rozciągającym się między Marsem a Jowiszem, w średniej odległości od Słońca wynoszącej około 2,7 jednostki astronomicznej. (Ziemia krąży wokół Słońca w odległości l j.a.). Pas główny obejmuje wszystkie znane planetoidy o średnicy powyżej 10 km, pozostające w obrębie orbity Jowisza. Średnice setek planetoid przewyższają 100 km,

3 J. Lewis, R. Lewis: Spocę Resources: Breaking the Bonds of Earth, rozdz. 9, Columbia University Press, Nowy Jork 1987.

KOLONIZACJA MARSA • 299

a jedna sięga 914 km. Z wyjątkiem małych planetoid, docierających do Słońca bliżej niż Ziemia oraz planetoid dostrzeżonych dalej niż Jowisz, stanowiących mniej więcej 2% ogólnej liczby tych ciał, planetoidy krążą między Marsem a Jowiszem. 2% planetoid bliskich Ziemi to liczba znacznie zawyżona w stosunku do planetoid pasa głównego, ponieważ planetoidy krążące w pobliżu Ziemi i Słońca znacznie łatwiej jest zaobserwować. Rozsądniej byłoby przyjąć, że planetoidy pasa głównego są przynajmniej tysiąc razy liczniejsze niż planetoidy przebywające w sąsiedztwie Ziemi. A z grupy planetoid bliskich Ziemi 90% porusza się po orbitach leżących bliżej Marsa niż Ziemi.

Przykład podany przez Lewisa świadczy o tym, że w planeto-idach kryje się niesamowity potencjał gospodarczy. Ostatnio wiele mówiono o planetoidach bliskich Ziemi (przede wszystkim ze względu na obawy, że zderzenie z jedną z nich zmiecie kiedyś z powierzchni Ziemi naszą cywilizację); porównanie liczb, opisujących obie klasy, nie pozostawia jednak wątpliwości, że ważniejsze będą działania w pasie głównym.

Górnicy pracujący w pasie planetoid nie będą mogli wytworzyć na miejscu wszystkich potrzebnych zapasów, dlatego nie obejdzie się bez importu wielu towarów z Ziemi bądź Marsa. Jak wynika z tabeli 8. l, ze względów transportowych Mars ma znaczną przewagę nad Ziemią. Dla rakiet startujących z Marsa AV, potrzebna do dotarcia do pasa planetoid, jest znacznie mniejsza niż dla rakiet ziemskich; podobnie jak stosunek mas (stosunek całkowitej masy statku wraz z całym paliwem do masy własnej statku) startującej rakiety.

Tabela 8. l przedstawia jako miejsce docelowe lotów z Ziemi i Marsa Ceres, największą planetoidę, jaka znajduje się wewnątrz pasa; w roli potencjalnego portu występuje również Księżyc. Choć Księżyc znajduje się znacznie bliżej naszej planety, dużo łatwiej jest dolecieć na niego z Marsa niż z Ziemi! Dla lotu z Marsa na Księżyc wymagany stosunek mas wynosi tylko 12,5, podczas gdy z Ziemi na Księżyc aż 57,6. Podobnie wyglądałaby sytuacja w przypadku próby dotarcia z Ziemi czy z Marsa na którąś z planetoid bliskich Ziemi.

300 • CZAS MARSA

Wszystkie dane z tabeli 8.1, z wyjątkiem dwóch ostatnich pozycji, odnoszą się do podróży statkiem o napędzie chemicznym, wykorzystującym jako paliwo mieszaninę metan/tlen (CH4/O2), o impulsie właściwym (Isp) wynoszącym 380 s i AV odpowiedniej dla systemów rakietowych o dużej sile ciągu. Uwzględniłem paliwo metan/tlen, ponieważ jest to najbardziej wydajna, nadająca się do przechowywania w przestrzeni kosmicznej mieszanina napędowa, którą można wytwarzać na Ziemi, na Marsie i na każdej planetoidzie, na której występuje

Tab. 8.1. Transport w wewnętrznej części Układu Słonecznego.

ZIEMIA

MARS

AV(KM/S) STOSUNEK AV (KM/S) STOSUNEK MAS MAS

Z powierzchni planety na niską orbitę

Prędkość ucieczki z powierzchni planety

Z niskiej orbity

na powierzchnię Księżyca

Z powierzchni planety na powierzchnię Księżyca

Z niskiej orbity na Ceres Z powierzchni planety na Ceres

Z Ceres na planetę

Podróż w dwie strony niska orbita-Ceres statkiem o elektrycznym napędzie jądrowym (NEP)

Podróż na niską orbitę statkiem o napędzie chemicznym, następnie w dwie strony na Ceres statkiem o elektrycznym napędzie jądrowym (NEP)

9,0 11,40 4,0 2,90

12,0 25,60 5,5 4,40

6,0 5,10 5,4 4,30

15,0 9,6

18,6

40,0

57,60

13,40

152,50

3,70

2,30

9,4 4,9

8,9 2,7

15,0

12,50

3,80

11,10

2,10

1,35

9/40

26,0 4/15

3,90

KOLONIZACJA MARSA • 301

węgiel. Mieszanina napędowa wodór/tlen, choć charakteryzuje się najwyższym impulsem właściwym (około 450 s), nie jest dobrym paliwem, gdyż nie może być dłużej przechowywana. Ponadto paliwo to nie nadaje się do wielokrotnego stosowania w tanich systemach transportu, ponieważ kosztuje o rząd wielkości drożej niż metan/tlen i, z uwagi na dużą objętość, trudno je przenosić na orbitę za pomocą pojazdów wielokrotnego użytku SSTO (zatem wykluczone jest stosowanie go do taniego transportu z powierzchni planety na orbitę). Ostatnie dwie pozycje w tabeli zakładają wykorzystanie statków o elektrycznym napędzie jądrowym (NEP) na argon (dostępny zarówno na Marsie, jak i na Ziemi), o Isp sięgającym 5000 s dla podróży w przestrzeni kosmicznej; by dostać się z powierzchni planety na niską orbitę, statki te używałyby paliwa chemicznego (metan/tlen). Pojazdy SSTO i rakiety NEP, choć obecnie wydają się sprawą przyszłości, stanowią rozwiązania, na których będą bazować systemy transportu.

Widzimy, że w wypadku użycia wyłącznie napędu chemicznego, stosunek mas, potrzebny do dostarczenia masy własnej statku z Ziemi do pasa głównego planetoid, jest 14 razy większy niż dla lotu z Marsa. Wynika z tego, ze stosunek masy ładunku do masy startowej rakiety jest jeszcze (dużo) większy dla lotu z Marsa na Ceres niż z Ziemi na Ceres. Wykorzystując dane, zawarte w tabeli 8. l, można spokojnie stwierdzić, że handel między Ziemią a Ceres (lub dowolnym innym ciałem niebieskim znajdującym się w pasie głównym planetoid) prawdopodobnie będzie możliwy, natomiast pomiędzy Marsem a Ceres będzie stosunkowo łatwy. Poza tym w przypadku dostarczania ładunków z Marsa na Księżyc stosunek mas jest prawie pięciokrotnie korzystniejszy niż dla lotu z Ziemi na Księżyc.

Sytuacja zmieni się tylko trochę po wprowadzeniu elektrycznego napędu jądrowego (NEP). Mars wciąż będzie siedmiokrotnie atrakcyjniejszym od Ziemi (pod względem stosunku mas) portem startowym dla rakiet lecących do pasa głównego planetoid, co oznacza, że stosunek masy ładunku do masy startowej rakiety będzie o dwa rzędy wielkości większy dla startu z Marsa niż z Ziemi.

302 • CZAS MARSA

Omawiane stosunki mas nie w pełni odzwierciedlają przewagę Marsa. Tabela 8.2 przestawia porównanie tras podróży na Ceres z Ziemi lub z Marsa, zarówno dla napędu chemicznego, jak i elektrycznego jądrowego. Obie misje mają dostarczyć 50 ton ładunku. Ponadto oba typy statków muszą być wyposażone w zbiorniki paliwowe, których masę oszacowałem na 7% wiezionego materiału napędowego. W przypadku lotu z powierzchni na orbitę wziąłem pod uwagę rakiety SSTO na metan/tlen. Założyłem, że masa własna statków (związana z ochroną termiczną, pracą silników, lądowaniem), bez zawartości zbiornika paliwa, jest równa masie transportowanego ładunku, czyli 50 tonom. Systemy transportu międzyplanetarnego, wykorzystujące napęd chemiczny, mogą być lżejsze, dlatego przypisałem im masę własną w wysokości 20% ładunku. Aby przewieźć ładunek z Marsa na Ceres, silniki NEP uwzględnione w tabeli 8.2 potrzebują energii elektrycznej o mocy 10 megawatów (MW), a dla lotu z Ziemi na Ceres - 30 MW; przy czym masa każdego systemu NEP wynosi 5 ton/MW. Różnice wydajności energetycznej elektrycznego napędu jądrowego i napędu chemicznego prowadzą do podobnego stosunku mocy do masy własnej systemu. Statek wyruszający z Ziemi wciąż jednak będzie zmuszony korzystać z silnika działającego 2,4 rażą dłużej. Chcąc zwiększyć moc znamionową startujących z Ziemi statków o napędzie NEP, by dorównać statkom marsjańskim, musielibyśmy dysponować nieskończoną masą misji. Dane w tabeli 8.2 odnoszą się do całej misji. Oczywiście, łączne wymogi związane ze startem zostaną prawdopodobnie rozłożone na wiele mniejszych pojazdów startowych.

Widać, że masa startowa wiążąca się z wysłaniem ładunku na Ceres jest około 50 razy mniejsza w przypadku startów z Marsa niż z Ziemi, niezależnie od tego, czy wykorzystany zostaje tylko napęd chemiczny, czy w połączeniu z elektrycznym napędem jądrowym do rejsów międzyplanetarnych. Gdyby użyty pojazd mógł wynieść na niską orbitę ładunek o masie około 1000 ton, należałoby wykonać z Ziemi aż 107 startów pojazdów na metan/tlen, a tylko dwa starty z Marsa. Nawet gdyby koszty paliwa i inne koszty związane ze startem były na Marsie 10 razy

KOLONIZACJA MARSA • 303

wyższe niż na Ziemi, wciąż znacznie bardziej opłacalne okazuje się wysyłanie statków z Czerwonej Planety. W przeprowadzonej analizie zakładaliśmy, że statki będą wracać z pasa planetoid bez ładunku. Wprowadzenie wymogu, by statki zabierały paliwo na drogę powrotną i przywoziły na Ziemię ładunek metalu z planetoid, sprawia, że perspektywy misji z Ziemi bez tankowania na Marsie stają się zupełnie beznadziejne.

Z rozważań tych wynika prosty wniosek: wszystkie transportowane do pasa planetoid materiały, które można wyprodukować na Marsie, będą produkowane na Marsie.

Wyłaniają się zarysy przyszłego handlu międzyplanetarnego: powstanie „trójkąt handlowy". Na Ziemi będą produkowane

Tab. 8 2. Masy wypraw frachtowych do pasa głównego planetoid (w tonach).

START Z ZIEMI

START Z MARSA

CH4/O2 NAPĘD CH4/02 NAPĘD

CHEMICZNY CHEMICZNY

/NEP /NEP

system napędowy

ładunek 50 50 50 50

statek międzyplanetc imy 10 150 10 50

zawartość zbiornika

paliwowego

statku międzyplanetarnego 85

paliwo statku

międzyplanetarnego 1220

całkowita masa

na niskiej orbicie 1365

masa bezwładna

pojazdu startowego 1365

zawartość zbiornika

paliwowego

pojazdu startowego 6790

paliwo pojazdu startowego 97 000 całkowita masa startowa 106 520

19 15 3

268 205 37

487 280 140

337 280 90

1758

25 127

27559

1250

1898

401

609

304 • CZAS MARSA

i dostarczane na Marsa wyspecjalizowane towary, wymagające zaawansowanych technologii, na Marsie będą wytwarzane i dostarczane do pasa planetoid (oraz być może na Księżyc) towary nie wymagające stosowania zaawansowanych technologii oraz zapasy żywności, natomiast z planetoid wędrować będą na Ziemię metale (być może także hel 3 z Księżyca). Schemat ten przypomina trójkąt z czasów kolonialnych, łączący Anglię, jej północnoamerykańskie kolonie i Indie Zachodnie. Angielskie towary wysyłano do Ameryki, gdzie produkowano żywność i mniej skomplikowane towary, kierowane następnie do Indii Zachodnich. Z Indii Zachodnich do Anglii wracały towary zamieniane na duże pieniądze, na przykład cukier. W XIX wieku brytyjski handel z Indiami Wschodnimi wspomagany był przez podobny trójkąt, łączący Anglię, Australię i wyspy należące obecnie do Indonezji.

Zaludnianie Marsa

Trudności wiążące się z transportem międzyplanetarnym skłaniają do traktowania perspektyw kolonizacji Marsa jako nieosiągalnych wizji. Kolonizacja oznacza jednak przede wszystkim ruch w jedną stronę, czyli wysyłanie do nowo powstałych na Marsie kolonii dużych ilości towarów i licznej grupy ludzi.

Rozważmy dwa modele ewentualnej emigracji na Marsa: emigrację wspieraną przez rząd oraz emigrację finansowaną z prywatnych źródeł.

W przypadku pomocy rządowej dysponujemy już obecnie technologiami umożliwiającymi emigrację na dużą skalę. Rysunek 8. l ilustruje jedno z rozwiązań pozwalających zawieźć na Marsa imigrantów. Przedstawia projekt rakiety nośnej, nawiązujący do konstrukcji promu kosmicznego, która może wynieść na niską orbitę okołoziemską ładunek o masie 145 ton (podobny udźwig miał Saturn 5). Następnie rakieta o termicznym napędzie jądrowym (NTR, podobna do zademonstrowanej w USA w latach sześćdziesiątych w ramach programu badawczego NERVA) o Isp równym 900 s w siedem miesięcy zawiezie

KOLONIZACJA MARSA • 305

34 m

Rys. 8.1. Ciężka rakieta nośna, z dodatkowym elektrycznym napędem jądrowym, zdolna przewieźć na Czerwoną Planetę 24 kolonizatorów.

na Marsa po trajektorii rejsowej „mieszkalny" statek kosmiczny o masie 70 ton. Po dotarciu w okolice Marsa statek wykorzysta stożkową osłonę aerodynamiczną do hamowania atmosferycznego, otworzy spadochrony i wyląduje na własnych silnikach metanowo-tlenowych.

Statek załogowy ma 8 m średnicy i mieści cztery pokłady o łącznej powierzchni mieszkalnej 200 m2, przeznaczonej dla 24 osób, zarówno podczas podróży międzyplanetarnej, jak i na powierzchni planety. Po rozładowaniu na Marsie przywiezionego ładunku dostępna będzie dodatkowo przestrzeń piątego (najwyższego) pokładu. Zatem dzięki jednemu startowi rakiety nośnej można wysłać w jedną stronę - z Ziemi na Marsa - 24 osoby wraz z potrzebnym mieszkaniem i narzędziami.

Przyjmijmy, że począwszy od 2010 roku każdego roku z Ziemi będą startować cztery rakiety nośne. Dokonując pewnych założeń demograficznych, można wyliczyć marsjańską krzywą demograficzną, przedstawioną na rysunku 8.2. Przyglądając się wykresowi widzimy, że wysyłanie grup kolonizatorów, liczących 24 osoby (oraz przyjmując poziom technologiczny XX wie-

306 • CZAS MARSA

Ameryka 1630 1650 Mars „2030 2050 106

1670

2070

1690

2090

1730

2130

Ameryka t=0 w 1610 Mars t=0 w 2010

10'

60 80 100 120 czas od założenia kolonii

140

160

Rys. 8.2. Porównanie kolonizacji Marsa z kolonizacją Ameryki Północnej. Dla celów analizy założono, że na Marsa będzie docierać 100 emigrantów rocznie poczynając od 2010 roku, przyrost 2% rocznie, 50% mężczyzn i 50% kobiet, wiek emigrantów 20-40 lat. Przyjęto średnio 3,5 dziecka w idealnej marsjań-skiej rodzinie, stopę śmiertelności 0,1% rocznie dla przedziału 0-59 lat, 1% dla 60-79 lat i 10% powyżej 80 lat.

ku) doprowadzi do osiągnięcia na Marsie przyrostu naturalnego ludzkiej populacji w wysokości jednej piątej przyrostu naturalnego w kolonialnej Ameryce w XVI i XVII wieku.

Byłby to bardzo dobry rezultat. Przekonalibyśmy się, że duża odległość dzieląca nas od Marsa i związane z tym wyzwania natury komunikacyjnej nie stanowią poważnej przeszkody na drodze do kolonizacji Czerwonej Planety. Kluczowe problemy, jak wiemy z rozdziału 7, dotyczą eksploatacji marsjańskich zasobów, uprawy roślin, budowy domów i wytwarzania wszelkich potrzebnych towarów na powierzchni Marsa. Ponadto obliczona stopa przyrostu naturalnego, wynosząca jedną piątą przy-

KOLONIZACJA MARSA • 307

rostu naturalnego kolonialnej Ameryki, choć niezbyt wysoka, świadczy jednak o historycznej możliwości, dostępnej dla każdego większego państwa na Ziemi, zasiania ziaren przyszłej ludzkiej cywilizacji na Marsie kosztem około l miliarda dolarów wydanych na pojedynczy start, czyli w sumie kosztem około 4 miliardów rocznie.

Skoro jednak koszt jednego startu wyniósłby około l miliarda dolarów, wysłanie jednego emigranta kosztowałoby 40 milionów dolarów. Cena taka mogłaby zostać (na pewien czas) przyjęta przez rząd, natomiast wykluczałaby emigrację organizowaną indywidualnie lub prywatnie. Jeśli Mars miałby wykorzystać energię licznych, dynamicznych emigrantów, kierujących się motywami osobistymi i pragnących odcisnąć własne piętno na dziejach nowego świata, cena transportu musi spaść znacznie niżej. Zastanówmy się, w jaki sposób można do tego doprowadzić.

Rozważmy ponownie pojazdy SSTO na metan/tlen, mające służyć do wynoszenia ładunków na niską orbitę okołoziemską (LEO). Każdy kilogram ładunku dostarczonego na orbitę wymaga około 70 kg paliwa. Kilogram dwuskładnikowej mieszaniny napędowej metan/tlen kosztuje mniej więcej 20 centów, zatem wysłanie l kg ładunku na orbitę wiązałoby się z koniecznością wydania 14 dolarów na paliwo. Przyjmując, że całkowity koszt wysłania ładunku na LEO wynosi siedmio-krotność ceny paliwa (stosunek dwa razy wyższy niż stosunek paliwo/koszt dla linii lotniczych), otrzymujemy koszt wysłania l kg na LEO w wysokości 100 dolarów. Załóżmy następnie, że po cyklicznej orbicie stale kursuje pomiędzy Ziemią a Marsem statek kosmiczny zdolny do odzyskiwania i ponownego wykorzystywania 95% zużywanej wody i tlenu. Buzz Aldrin, pilot statku Apollo 11, zaproponował wprowadzenie takich „wahadłowców", stale obsługujących trasę Ziemia-Mars, które zapewnią licznym emigrantom obszerną przestrzeń mieszkalną. Niski koszt jest konsekwencją tego, że wahadłowiec taki startowałby tylko raz, a potem mógłby odbywać trwającą 2,2 roku podróż na Marsa i z powrotem w zasadzie dowolnie wiele razy przy bardzo niewielkim zużyciu paliwa. Na okres trwającego

308 • CZAS MARSA

200 dni rejsu międzyplanetarnego Ziemia-Mars jeden pasażer wahadłowca (ważący wraz z rzeczami osobistymi około 100 kg) będzie potrzebował 400 kg zapasów (woda, tlen i inne). Zatem przetransportowanie jednego pasażera z LEO na pokład wahadłowca oznacza konieczność przewiezienia 500 kg przy AV sięgającej 4,3 km/s. Kapsuła, która zabrałaby pasażerów z LEO na wahadłowiec oraz z wahadłowca na powierzchnię Marsa, miałaby masę około 500 kg na pasażera. Na jednego pasażera trzeba na orbitę wahadłowca dostarczyć ładunek około 1000 kg, co - przy wykorzystującym metan/tlen napędzie chemicznym o Isp równym 380 s - jest równoważne wyniesieniu 3200 kg na LEO. Przy kosztach umieszczenia l kg na LEO, wynoszących 100 dolarów, oraz przy założeniu, że wahadłowiec zamortyzuje się po odbyciu bardzo dużej liczby rejsów, koszt dowiezienia jednej osoby na Marsa wyniesie 320 tysięcy dolarów.

Oczywiście, obliczenia te zostały przeprowadzone przy wielu założeniach, które mogą ulec modyfikacji i istotnie zmienić podany koszt biletu. Na przykład nadanie znacznej części AV - w trakcie lotu z Ziemi na orbitę - za pomocą ponad-dźwiękowego układu odrzutowego z silnikiem przelotowym (tzw. scranyet) mogłoby trzykrotnie obniżyć koszt transportu na orbitę. Przed oddaleniem się od Ziemi prom o odrzutowym napędzie elektrycznym (jonowym) mógłby pchnąć kapsułę tak, by - przy włączonym napędzie chemicznym, zapewniającym wysoką siłę ciągu - wykonała precyzyjny przelot blisko Ziemi. W wyniku takiego manewru kapsuła otrzymałaby energetycznego „kopniaka", pozwalającego na opuszczenie orbity okołoziemskiej i dotarcie do wahadłowca międzyplanetarnego przy AV zaledwie 1,3 km/s, osiąganej dzięki paliwu chemicznemu. W ten sposób koszt transportu zostałby dodatkowo obniżony. Gdyby, zamiast tradycyjnej podróży po orbicie międzyplanetarnej (ze wsparciem grawitacyjnym), wahadłowiec wykorzystywał żagiel magnetyczny (patrz: podrozdział „Zaawansowany transport międzyplanetarny"), prędkość hiperboliczna wymagana do opuszczenia Ziemi i zbliżenia się do wahadłowca wynosiłaby prawie zero, pozwalając na

KOLONIZACJA MARSA • 309

wyłączne stosowanie napędu elektrycznego (a nawet napędu magnetycznego bądź słonecznego) w celu dostarczenia kapsuły z LEO do wahadłowca. Dalsze obniżenie kosztów podróży można osiągnąć, zwiększając stopień szczelności systemu podtrzymywania funkcji życiowych z wartości podstawowej (95%) do zaawansowanej (99%), przez co ograniczona zostanie masa wody i tlenu, zużywanych przez pasażerów podczas lotu, a przez to i całkowita masa wiezionego ładunku. Tak więc ostatecznie koszt podróży w jedną stronę z Ziemi na Marsa wyniósłby około 30 tysięcy dolarów na jednego pasażera. Tabela 8.3 pokazuje spadek kosztu podróży w wyniku stosowania kolejnych innowacji.

W każdym razie cena 320 tysięcy dolarów dla pierwszych emigrantów jest interesująca. Kwoty tego rzędu nie wydajemy lekką ręką, jest to jednak spora suma - odpowiada mniej wię-

Tab. 8.3. Możliwe obniżenie kosztów transportu z Ziemi na Marsa.

TECHNO- TECHNO- CZYN- CENA

LO- LOGIA NIK ZA PODRÓŻ

GIA ZAAWAN- OBNIŻĘ- NA MARSA

PODSTA- SOWANA NIĄ (w dolarach

WOWA KOSZTÓW USA, 1996)

wyprawa

z wykorzystaniem

podstawowej technologii

z powierzchni Ziemi na orbitę

uszczelnienie systemu podtrzymywania funkcji życiowych

napęd stosowany do opuszczenia LEO

napęd wahadłowca

napęd rakietowy

95%

CH4/02 naturalny

napęd ponad-dźwiękowy przelotowy

99%

1.0

0,3

NEP

żagiel magnetyczny

0,7

0,6 0,7

320 000

96000

67000

40000

28000

310 • CZAS MARSA

cej cenie amerykańskiego domu na przedmieściach dla rodziny z zamożnej, wyższej klasy średniej, bądź oszczędnościom rodziny z klasy średniej - ale zarazem suma, którą wiele osób mogłoby (gdyby naprawdę chciało) zapłacić za podróż na Marsa. Dlaczego ktoś chciałby lecieć na Marsa? Z uwagi na niedostatek siły roboczej oraz drogi transport, koszty pracy niewątpliwie byłyby na Marsie znacznie wyższe niż na Ziemi, a w konsekwencji również wyższe byłyby płace. Kwota 320 tysięcy dolarów, odpowiadająca mniej więcej sześcioletniej pensji inżyniera na Ziemi, stanowiłaby wynagrodzenie za rok lub dwa lata pracy na Marsie. Przez ostatnie kilkaset lat podobna różnica płac przyciągała emigrantów z Europy do Ameryki; na podobnej zasadzie znaleźliby się chętni do pracy na Marsie. Od XVII do XIX wieku wiele europejskich rodzin gromadziło środki, by wysłać do Ameryki jedną osobę, która, po paru latach, odkładała dość pieniędzy na ściągnięcie pozostałej części rodziny. Współcześnie identyczna praktyka funkcjonuje w przypadku krajów Trzeciego Świata: miejscowe zarobki są znikome w porównaniu z cenami biletów lotniczych, ale skoro w miejscu przeznaczenia czeka praca, dzięki której można zapłacić za podróż, częste jest zaciąganie kredytu na jej odbycie. Działo się tak niegdyś, dzieje się teraz i będzie się działo w przyszłości.

Jak już wspomniałem, występujący na Marsie niedostatek siły roboczej spowoduje, że marsjańskie społeczeństwo będzie zmierzać w stronę postępu technologicznego i społecznego. Jeśli płacimy komuś pięć razy więcej niż na Ziemi, nie chcemy obciążać pracownika żadną bezsensowną pracą ani wypełnianiem formularzy, nie będziemy też skłonni odmawiać pracy komuś, wykonującemu bardzo potrzebny zawód, tylko dlatego, że nie pofatygował się, by odbyć biurokratyczny bieg z przeszkodami. Krótko mówiąc, marsjańskie społeczeństwo będzie nastawione pragmatycznie, podobnie jak dziewiętnastowieczna Ameryka. Marsjański pragmatyzm, wymuszony przez środowisko, da kolonizatorom znaczną przewagę nad społeczeństwem ziemskim, bardziej tradycyjnym i żyjącym w warunkach niewielkiego stresu. Skoro ko-

KOLONIZACJA MARSA • 311

nieczność jest matką wynalazku, Mars będzie doskonałą kołyską. Społeczeństwo pogranicza, wykorzystujące zaawansowane technologie, zachowujące się pragmatycznie i składające się z osób przejawiających inicjatywę, będzie z konieczności dokonywać wynalazków, przydatnych nie tylko na Marsie, lecz i na Ziemi. Wynalazcy przyniosą Marsowi dodatkowe dochody (z praw patentowych zarejestrowanych na Ziemi), wywierając jednocześnie na ziemskie społeczeństwo, dysponujące ogromną siłą roboczą, nacisk, który będzie przeciwdziałał naturalnej tendencji popadania w stagnację. W dalszej perspektywie największą korzyścią z kolonizacji Marsa będzie swoiste odmłodzenie Ziemi. A najbardziej skorzystają te ziemskie społeczeństwa, które będą z marsjańską cywilizacją najbliżej powiązane społecznie, kulturowo, językowo i gospodarczo.

Handel marsjańskimi nieruchomościami

Marsjańskie nieruchomości można podzielić na dwie kategorie: nadające się do zamieszkania i otwarte. Przez nieruchomość nadającą się do zamieszkania rozumiem miejsce pod kopułą, umożliwiające ludziom wygodne życie w stosunkowo konwencjonalnym otoczeniu, które dopuszcza poruszanie się w letnich ubraniach. Otwarte nieruchomości to przestrzenie rozciągające się na zewnątrz kopuł. Oczywiście, nieruchomości nadające się do zamieszkania są znacznie cenniejsze od nieruchomości otwartych. Niemniej oba rodzaje nieruchomości można będzie kupować i sprzedawać, a w miarę rozwoju transportu pomiędzy Ziemią a Marsem ich wartość będzie rosnąć.

Obecnie na Marsie występują jedynie otwarte przestrzenie. Choć jest ich niezmiernie dużo - 144 min km2 - można odnieść mylne wrażenie, że są one zupełnie nieprzydatne ze względu na niemożność ich wykorzystania. Tak nie jest. Wielkie połacie ziemi w stanie Kentucky kupowano i sprzedawano za duże sumy na sto lat przed przybyciem pierwszych koloni-

312 • CZAS MARSA

zatorów. Z punktu widzenia zabudowy i wykorzystania obszary szesnastowiecznej Ameryki, położone na zachód od łańcucha Appalachów, niewiele różniły się od Marsa. Te odległe ziemie miały wartość z dwóch względów. Po pierwsze, przynajmniej niektórzy słusznie sądzili, że w przyszłości grunty na zachodzie Ameryki zostaną zamieszkane i wykorzystane. Po drugie, istniały ramy prawne - w postaci praw własności ziemi, wydawanych przez koronę brytyjską - pozwalające na prywatną własność ziemi na zachód od Appalachów. W rzeczy samej, gdyby istniały odpowiednie ramy prawne, już dziś można by handlować marsjańskimi nieruchomościami. Mechanizm nie wymagałby wysyłania na Marsa patroli policji, wystarczyłyby zupełnie prawa patentowe lub prawa własności, rejestrowane przez liczące się państwo na Ziemi, na przykład przez USA. Gdyby Stany Zjednoczone sprzedały prawa do wykonywania działalności górniczej spółce, która z zadowalającą dokładnością zbadała i zmierzyła marsjański teren, to możliwy stałby się obrót prawami, opierający się na spekulacjach co do ich przyszłej wartości (służyłoby to prawdopodobnie do finansowania budowy i wysyłania automatycznych sond, badających powierzchnię Marsa pod kątem możliwości wydobycia). Co więcej, prawa własności byłyby respektowane na Ziemi i w całym Układzie Słonecznym, gdyż w przeciwnym wypadku amerykański urząd celny mógłby obłożyć cłami karnymi towary importowane wykonane, pośrednio lub bezpośrednio, z materiałów wydobytych z pogwałceniem prawa własności. Podobny mechanizm nie przesądzałby o amerykańskiej władzy nad Marsem w większym stopniu niż współcześnie, gdy o władzy amerykańskiego rządu nad światem idei świadczą działania amerykańskiego urzędu patentowego i ochrony praw autorskich, zmierzające do zamiany idei na własność intelektualną. W każdym razie konieczny będzie certyfikat -wydany przez USA, NATO, ONZ lub rząd marsjański - nadający bezwartościowym, pustym terenom charakter cennych nieruchomości.

Gdy się to już stanie, nawet nie zabudowane marsjańskie obszary staną się ważnym źródłem kapitału, potrzebnego do

KOLONIZACJA MARSA • 313

finansowania budowy pierwszych osad na Marsie. Przy średniej cenie 10 dolarów za akr, Mars byłby wart 358 miliardów dolarów. Gdyby powiodła się próba terraformowania Czerwonej Planety, można spodziewać się, że ceny otwartych przestrzeni na Marsie wzrosną stukrotnie (wartość planety wyniosłaby wtedy astronomiczną sumę 36 bilionów dolarów). Przyjmując, że koszt opracowania metody i przeprowadzenia terraformowania będzie znacznie niższy niż 36 bilionów dolarów, widzimy, że właściciele marsjańskich gruntów mogą mieć ważkie powody, by dążyć do przeobrażenia posiadanych ziem metodami inżynierii planetarnej.

Jasne jest, że nie wszystkie otwarte nieruchomości na Marsie będą mieć równą wartość. Znacznie cenniejsze będą tereny, na których występują źródła energii geotermicznej, wartościowe minerały, woda lub inne bogactwa naturalne, jak również tereny położone niedaleko baz marsjańskich zamieszkanych przez ludzi. Z tych powodów, podobnie jak w przypadku spekulantów na Ziemi, właściciele otwartych nieruchomości na Marsie będą wywierać presję, by dokładanie zbadać Czerwoną Planetę i przyczynić się do osadnictwa na posiadanych przez nich ziemiach.

Znacznie większą wartość będą miały nieruchomości nadające się do zamieszkania, przestrzenie osłonięte kopułami. Każda konstrukcja z kopułą o średnicy około 100 m, ważąca 80 ton, będzie ograniczać obszar równy akrowi lub dwóm. Przyjmując, że pod kopułą zmieszczą się mieszkania dla dwudziestu rodzin, z których każda będzie gotowa zapłacić po 50 tysięcy dolarów za pomieszczenia mieszkalne (w postaci działki o wymiarach 20 m x 20 m), wartość całej konstrukcji wyniesie milion dolarów. Dlatego szybka i masowa budowa konstrukcji mieszkalnych dla kolejnych fal emigrantów będzie prawdopodobnie jednym z najlepszych interesów na Marsie i sporym źródłem dochodu dla rozwijającej się kolonii.

W XXI wieku przyrost ludzkiej populacji doprowadzi do wzrostu wartości nieruchomości na Ziemi, przez co trudniej będzie ludziom posiadać domy. Z drugiej strony, trwający rozrost biurokracji spowoduje, że na Ziemi indywidualistom

314 • CZAS MARSA

i twórczym naturom coraz trudniej będzie znaleźć właściwy wyraz dla swej osobowości. Regulacje prawne, zmierzające do „ochrony" istniejącego stanu rzeczy, stają się coraz bardziej uciążliwe dla tych, którzy starają się ten stan zmienić. Ograniczenia wprowadzają bariery dla wszystkich ludzi i stanowią próbę narzucenia norm, które są dla wielu nie do przyjęcia. Gdy tarcia, co jest nieuniknione, przerodzą się w wojny i rewolucje, pojawią się przegrani. Spoglądając na mapę współczesnego świata, widzimy sporo małych narodów w Azji, Afryce, na Bliskim Wschodzie, w dawnym Związku Radzieckim i Europie, położonych koło większych państw, marzących o ich podbiciu. W wyniku wojen miliony uchodźców i emigrantów będą wolały podjąć wyzwanie życia na nowym pograniczu zamiast w niewoli. Być może Mars okaże się planetą otwartą dla uchodźców.

Analogie historyczne

Podstawowa analogia, którą pragnę naszkicować, to podobieństwo Marsa do Ameryki Północnej w czasach nowożytnych. Srebrny Glob, znajdujący się blisko ziemskiej metropolii, lecz mający nędzne zasoby naturalne, można porównać do Grenlandii. Inne interesujące miejsca, takie jak pas główny planetoid, mają dużo bogactw naturalnych, które można eksportować na Ziemię, lecz nie nadają się na siedziby rozwiniętego społeczeństwa kolonizatorów - można je więc porównać do Indii Zachodnich. Jedynie Mars dysponuje wszystkimi zasobami, potrzebnymi do stworzenia cywilizacji, może też być uznany za odpowiednie miejsce dla kolonizacji. Korzystne położenie Czerwonej Planety, podobnie jak w przeszłości położenie Ameryki Północnej w stosunku do Anglii i Indii Zachodnich, pozwoli wykonywać w imieniu Ziemi opłacalną eksploatację zasobów z pasa planetoid. Wbrew krótkowzrocznym kalkulacjom dziewiętnastowiecznych europejskich polityków i finansistów, rola Ameryki nie ograniczyła się jednak do bazy, wspierającej logistycznie import cukru i przypraw

KOLONIZACJA MARSA • 315

z Indii Zachodnich, bazy lądowego handlu futrami lub rynku zbytu dla wyprodukowanych towarów. Prawdziwa wartość Ameryki polega na tym, że rozwinęła się tam cywilizacja, łącząca wartości przywiezione przez emigrantów z warunkami obszaru pogranicza; połączenie to okazało się najsilniejszym jak dotąd na świecie motorem rozwoju społecznego i gospodarczego. Bogactwo Ameryki wzięło się stąd, że mogła wyżywić przybyłych i że przyciągała odpowiednich ludzi. Warunki pogranicza ukształtowały kulturę ludzi wierzących, że wszystko można osiągnąć - a na Marsie mechanizm ten będzie stokroć silniejszy.

Na Marsie panują znacznie surowsze warunki niż na naszej planecie. A przecież najtrudniejsze szkoły należą do najlepszych, pod warunkiem że da się je przeżyć. Marsjanie z pewnością przeżyją.

ZAAWANSOWANY TRANSPORT MIĘDZYPLANETARNY

O wyborze środka transportu przesądza cel podróży. Udostępnienie Nowego Świata spowodowało w Europie rewolucję w budowie okrętów. Podobnie ustanowienie marsjańskiej bazy doprowadzi do stworzenia nowych systemów napędu rakietowego, które sprawią, że kolonizacja Czerwonej Planety stanie się możliwa z ekonomicznego punktu widzenia. Nowe układy, które stwarzają znacznie większe możliwości od dotychczasowych, już od jakiegoś czasu znajdują się na deskach kreślarskich projektantów, oczekując na swoją szansę. Przyjrzyjmy się możliwościom przyszłości.

Przelotowe odrzutowe systemy napędowe

Wydajność transportu ładunków przez współczesne systemy rakietowe wynosi jedynie 2% analogicznej wydajności samolotów odrzutowych. Różnica ta jest konsekwencją prostego fak-

316 • CZAS MARSA

tu: rakiety wiozą ze sobą utleniacz, podczas gdy samoloty odrzutowe pobierają go wprost z powietrza. Ma to ogromny wpływ na wydajność pojazdów rakietowych, ponieważ utleniacz stanowi około 75% całkowitej masy materiału napędowego. Startujące rakiety lecą na orbitę przez warstwy atmosfery, będące oceanem utleniacza. Dlaczego nie starają się go wykorzystać?

Niestety, trudności natury technicznej oraz brak woli pokrzyżowały plany rozwoju ponaddźwiękowego napędu przelotowego. Współczesne pociski z odrzutowymi silnikami strumieniowymi mogą osiągnąć prędkość 5,5 Macha4, lecz powyżej tej wartości niemożliwe staje się spowolnienie do prędkości pod-dźwiękowej powietrza, które wlatuje do silnika, bez jego nadmiernego rozgrzania. Oznacza to, że spalanie wewnątrz silnika musi odbywać się przy hipersonicznej prędkości strumienia powietrza. Silnik taki jest przykładem nowej generacji silników, zwanych scranyet - odrzutowych silników przelotowych, które w porównaniu z tradycyjnymi silnikami odrzutowymi stanowią podobny postęp, jak silniki odrzutowe w stosunku do napędu śmigłowego. W ramach amerykańskiego programu badań nad samolotem aerokosmicznym (NASP) - jego realizację wstrzymano w 1993 roku z uwagi na rzekomy brak zastosowań - przeprowadzono wyczerpujące obliczenia komputerowe, które dowiodły, że przelotowy silnik odrzutowy działałby zgodnie z przewidywaniami. Inne rozwiązanie, mniej zaawansowane technicznie, lecz zachowujące sporo zalet silnika przelotowego, to rakieta wzbogacona o układ, który podczas lotu przez atmosferę częściowo wykorzystuje utleniacz z powietrza. Próbne wersje takich rakiet, mogące osiągnąć impuls właściwy ponad 1000 s, zademonstrowała w 1966 roku firma The Marąu-ardt Company. Niestety, kaprys rządowej biurokracji sprawił, że program skasowano, zanim pierwsza rakieta wystartowała.

Zastosowanie odrzutowych silników przelotowych czy rakiet wzbogaconych o układ wykorzystujący powietrze atmosfery cz-

4 Mach to jednostka prędkości, równa prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu; l Mach wynosi 340 m/s (przyp. red.).

KOLONIZACJA MARSA • 317

ne choćby podczas części lotu na orbitę, pozwoliłoby bardzo wydatnie zwiększyć masę wiezionego ładunku. Właśnie tego nam potrzeba, by wspomóc rozwijającą się kolonię na Marsie: taniego sposobu wynoszenia ładunków na orbitę i dalej. Opracowanie technologii taniego podróżowania w przestrzeni kosmicznej będzie odgrywać kluczową rolę podczas kolonizacji Czerwonej Planety.

Napęd elektryczny

Impuls właściwy, czyli-wyrażony w sekundach czas, przez jaki jeden kilogram materiału napędowego daje siłę ciągu l kG, stanowi fundamentalny miernik sprawności rakiety. Najlepsze systemy napędu chemicznego charakteryzują się Isp sięgającym 450 s, podczas gdy rakiety z termicznym napędem jądrowym mogą osiągać impuls równy około 900 s.

Istnieje jeszcze inna metoda osiągnięcia wysokiej wartości impulsu właściwego. Należy zjonizować gaz, czyli oderwać część elektronów od jąder atomowych, i przyspieszyć swobodne elektrony za pomocą przemiennych sił przyciągających i odpychających, wytwarzanych przez siatkę elektrostatyczną. Metoda ta nazywana jest elektrycznym napędem odrzutowym lub jonowym. Napęd elektryczny pozwala osiągnąć impuls właściwy wielu tysięcy sekund, nie powodując rozgrzania wyrzucanych gazów do bardzo wysokich temperatur. To nie teoria: napęd jonowy stosuje się obecnie na wielu satelitach do utrzymywania pozycji na właściwej orbicie. Aby uzyskać dużą siłę ciągu, konieczne są duże ilości energii elektrycznej. Statek kosmiczny o masie 120 ton potrzebuje mocy 5 megawatów (70 razy przewyższającej planowaną moc zasilającą międzynarodową stację kosmiczną), aby uzyskać siłę ciągu wynoszącą 280 N (niutonów) przy Isp równym 5000 s. Jeśli założymy, że statek dysponuje potrzebną energią elektryczną, okazuje się, że mógłby uzyskać różnicę prędkości AV wynoszącą 30 km/s, pozwalającą dotrzeć do Marsa z niskiej orbity okołoziemskiej po roku lotu z włączonym silnikiem. Podobny statek z elek-

318 • CZAS MARSA

trycznym napędem jądrowym (NEP) mógłby osiągnąć tak dużą różnicę prędkości przy stosunku mas wynoszącym zaledwie 1,82. Trajektorie wewnątrz Układu Słonecznego, po których mogą poruszać się statki o napędzie elektrycznym, wymagają wyższych wartości AV niż w przypadku napędu chemicznego (mniej więcej dwukrotnie), lecz mimo to są one korzystne, ponieważ Isp jest mniej więcej dziesięciokrotnie większy.

Elektryczne jonowe silniki rakietowe o mocy mierzonej w kilowatach już istnieją, a rozbudowanie ich do rozmiaru mega-watowego, pozwalającego zastosować napęd NEP w statkach kosmicznych, nie stanowi poważniejszego problemu. Prawdziwą trudność, wiążącą się z systemem napędu NEP, stanowi uzyskanie funduszy na badania nad wielomegawatowymi jądrowymi reaktorami kosmicznymi.

Słoneczne żaglowce

Należy stworzyć statki i żaglowce poruszane niebieską bryzą.

JohannesKepler(1609)

Prawie cztery wieki temu Johannes Kepler zauważył, że warkocz komety odwrócony jest zawsze od Słońca, niezależnie od kierunku, z którego kometa przybywa. Skłoniło to Keplera do wysunięcia przypuszczenia, że światło słoneczne wywiera na warkocz komety siłę odpychającą. Dopiero w 1901 roku udało się udowodnić, że istotnie tak jest.5

Skoro światło Słońca odpycha warkocz komety, dlaczego nie miałoby poruszać statków kosmicznych? Czy nie możemy po prostu umieścić ogromnych zwierciadeł (żagli słonecznych) na statku, by poruszał się dzięki sile wywieranej przez światło? Możemy tak zrobić, ale by uzyskać znaczną siłę napędową, potrzeba światła o ogromnym natężeniu. W okolicy Ziemi,

5 Potężny jonowy warkocz komety powstaje dzięki promieniowaniu korpusku-larnemu, czyli wiatrowi słonecznemu (patrz: następny podrozdział). Kepler miał jednak wspaniałą intuicję, gdyż światło słoneczne rzeczywiście kształtuje mniejsze (nie zawsze obecne) warkocze pyłowe (przyp. red.).

KOLONIZACJA MARSA • 319

w odległości l jednostki astronomicznej od Słońca, na żagiel słoneczny o powierzchni l km2 byłaby wywierana całkowita siła odpychająca od Słońca w wysokości około 10 N. Aby więc wykorzystać żagiel słoneczny w roli użytecznego systemu napędu rakietowego, musiałby on mieć wielką powierzchnię i być wykonany z bardzo cienkiego materiału. Powiedzmy, że dysponujemy żaglem słonecznym o powierzchni l km2 i grubości 10 mikrometrów (czyli 0,01 mm, co odpowiada jednej czwartej grubości plastikowej torby na śmieci). Żagiel ważyłby 10 ton i w ciągu mniej więcej roku rozwinąłby prędkość 32 km/s. Gdyby kosmiczny żaglowiec wiózł ładunek o masie 10 ton, przyspieszenie byłoby dwa razy mniejsze. Mimo to słoneczne żagle o grubości 10 mikronów można wykorzystać jako skuteczny system, wspomagający transport na trasie Ziemia--Mars. A gdyby udało się wytworzyć żagiel o grubości l mikrometra, naprawdę moglibyśmy pomknąć na słonecznych żaglowcach...

Dotychczas nie wykorzystywano napędu słonecznego do podróży kosmicznych. W latach siedemdziesiątych w ośrodku JPL w Pasadenie poczyniono jednak pewne przymiarki - przeprowadzono bardzo poważne badania przygotowawcze do wysłania sondy napędzanej ciśnieniem światła słonecznego w pobliże komety Halleya podczas jej przelotu w 1986 roku. Niestety, plan nie został zrealizowany, ponieważ Kongres USA odmówił przyznania na ten cel funduszy. Żagle słoneczne zostały zbudowane przez grupy amatorów, na przykład World Space Foundation (Światowa Fundacja Kosmiczna) Roberta Staehle'a i francuska Union pour la Promotion de la Propul-sion Photoniąue (Stowarzyszenie na Rzecz Rozwoju Napędu Słonecznego). W roku 1992, z okazji 500-lecia odkrycia Ameryki przez Kolumba, planowano urządzić regaty - wyścig słonecznych żaglówek na Księżyc -jednak jak dotąd uczestnikom nie udało się złapać okazji: startującej rakiety, która wyniosłaby ich pojazdy w przestrzeń kosmiczną.

Z wykorzystywaniem żaglowców słonecznych wiążą się pewne problemy natury technicznej: pakowanie, rozpakowywanie, bezpieczne rozwijanie i kontrola ogromnych struktur, wykona-

320 • CZAS MARSA

nych z bardzo cienkich materiałów. Trzeba jednak podkreślić, że główną barierą, przeszkadzającą w opracowaniu napędu słonecznego nie są problemy natury technicznej, lecz odmowa rządowych agencji badań kosmicznych finansowania badań nad tym obiecującym rozwiązaniem. Miejmy nadzieję, że Marsjanie spiszą się lepiej.

Żaglowce magnetyczne

Światło to nie jedyny silny powiew od strony Słońca. Istnieje także wiatr słoneczny.

Wiatr słoneczny to strumień plazmy, swobodnych elektronów i protonów, powstający na Słońcu i poruszający się we wszystkich kierunkach z prędkością 300-400 km/s (w okolicy Ziemi). Na Ziemi nigdy nie mamy do czynienia z wiatrem słonecznym, ponieważ chroni nas przed nim ziemska magne-tosfera.

Skoro ziemska magnetosfera nie przepuszcza wiatru słonecznego, na ziemskie pole magnetyczne musi być wywierana pewna siła. Co stoi na przeszkodzie, by wokół statku kosmicznego stworzyć sztuczną magnetosferę i wykorzystać to samo zjawisko do celów napędowych? Wpadłem na ten pomysł w 1988 roku wraz z Daną Andrews, pracującą w firmie Boeing jako inżynier. Moment był odpowiedni, gdyż w tym samym roku odkryto nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Są one niezbędne do skonstruowania użytecznych systemów napędu magnetycznego, ponieważ zwykłe, niskotemperaturowe nadprzewodniki wymagają zbyt dużego wyposażenia chłodzącego i mają zdecydowanie zbyt wysoki pobór mocy. Siła wywierana przez wiatr słoneczny na l km2 jest jeszcze niższa, niż wywierana przez światło słoneczne, jednak pole magnetyczne można rozciągnąć na dużo większy obszar przestrzeni. We współpracy z Daną uzyskaliśmy równania, opisujące oddziaływanie wiatru słonecznego z wytworzonym polem magnetycznym, rozciągającym się na dużym obszarze wokół statku, i na tej podstawie przeprowadziliśmy symulacje kom-

KOLONIZACJA MARSA • 321

puterowe. Z obliczeń wypływa następujący wniosek: gdyby dostępne były nadprzewodniki wysokotemperaturowe, przewodzące prąd elektryczny o identycznej gęstości, co najlepsze nadprzewodniki niskotemperaturowe (takie jak stop tytanu i niobu, NbTi) - około l min amperów na cm2 - to można by zbudować żaglowce magnetyczne o stosunku siły ciągu do masy 100 razy wyższym od żaglowca słonecznego z żaglem wykonanym z materiału grubości 10 mikrometrów.6 Co więcej , rozpostarcie żagla magnetycznego nie będzie sprawiać takich trudności, jak rozwinięcie żagla słonecznego. Żagiel magnetyczny nie byłby wykonany z bardzo cienkiej błonki, lecz z odpornego na uszkodzenia mechaniczne kabla, który po włączeniu prądu elektrycznego rozszerzałby się automatycznie pod działaniem sił magnetycznych i tworzył sztywną obręcz. Początkowe przepuszczenie prądu wymagałoby pewnej energii, lecz ponieważ nadprzewodniki przewodzą prąd bez oporu, raz włączony prąd krążyłby w kablach bez dalszych strat energii. Ponadto żagiel magnetyczny chroniłby całkowicie załogę statku przed promieniowaniem, pochodzącym z rozbłysków słonecznych.

Żagiel magnetyczny mógłby wywierać siłę całkowicie równoważącą słoneczną grawitację, a odpowiednie zmniejszenie natężenia płynącego w kablach prądu powodowałoby zniesienie dowolnej części siły ciążenia Słońca. Dodam, nie wdając się w szczegóły, że możliwości te pozwalają statkowi lecącemu po trajektorii wokół Słońca przesunąć się na orbitę prowadzącą ku dowolnemu ciału w Układzie Słonecznym: wystarczy zmienić natężenie pola magnetycznego. Do wykonania takiego manewru nie byłby potrzebny nawet gram paliwa.

Obecnie niemożliwe byłoby zbudowanie żaglowców magnetycznych, ponieważ nie dysponujemy jeszcze kablami z nad-przewodników wysokotemperaturowych. Trwają jednak inten-

6 R. Zubrin i D. Andrews: Magnetic Sails and Interplanetary Travel, AIAA-98--2441, AIAA/ASME, 25th Joint Propulsion Conference, Monterey, Kalifornia, lipiec 1989. Praca została opublikowana w „Journal of Spacecraft and Rockets", kwiecień 1991.

322 • CZAS MARSA

sywne badania. Sądzę, że za 10 lub 20 lat będziemy już mieli odpowiedni rodzaj nadprzewodzącego kabla do produkcji doskonałych żaglowców magnetycznych.

Synteza termojądrowa

Reaktory termojądrowe wykorzystują pole magnetyczne, by uwięzić plazmę - zawierającą szczególne, bardzo gorące i silnie naładowane cząstki - w komorze próżniowej, gdzie mogą zderzać się i reagować. Ponieważ wysokoenergetyczne cząstki mają tendencję do stopniowego uwalniania się z pułapki magnetycznej, komora reaktora musi mieć pewien minimalny rozmiar, by zatrzymać cząstki przez okres wystarczający do zainicjowania reakcji termojądrowej. Wymóg zapewnienia minimalnej wielkości komory sprawia, że reaktory termojądrowe są mało atrakcyjne w przypadku zastosowań nie wymagających dużych ilości energii. W przyszłości, gdy ludzkość potrzebować będzie dziesiątki lub setki razy więcej energii niż obecnie, reaktory termojądrowe z całą pewnością staną się najpotężniejszymi i najtańszymi źródłami mocy.

Reaktory termojądrowe przydadzą się nie tylko w przyszłej energetyce. Będzie można je również wykorzystać do konstrukcji zaawansowanych systemów napędu rakietowego, zwłaszcza że w przestrzeni kosmicznej panuje próżnia, potrzebna w komorze reaktora. Największą wydajność zapewnia reakcja wykorzystująca deuter i hel 3 (D/3He), gdyż paliwo to charakteryzuje się najwyższym stosunkiem energii do masy spośród wszystkich spotykanych w przyrodzie. Jednak wydajność znacznie tańszej reakcji, wykorzystującej paliwo deuterowe (D-D) wynosi 60% reakcji D/3He. Zasada pracy silnika rakietowego, działającego dzięki kontrolowanej syntezie termojądrowej, jest następująca: plazma wydobywa się z jednego końca pułapki magnetycznej, następnie dodawany jest do niej zwykły wodór, a powstała mieszanina wyrzucana jest ze statku poprzez magnetyczną dyszę wylotową. Im więcej dodamy wodoru, tym większa będzie siła ciągu, lecz zarazem niższa prędkość

KOLONIZACJA MARSA « 323

gazów odrzutowych. W przypadku podróży na Marsa mieszanina składałaby się w 99% z wodoru, a prędkość gazów odrzutowych wynosiłaby ponad 100 km/s (co odpowiada Isp równemu 10 000 s). Jeśli nie dodamy w ogóle wodoru, odpowiednio skonfigurowana reakcja syntezy termojądrowej pozwoliłaby teoretycznie osiągnąć niesamowicie duże prędkości gazów odrzutowych - 18 000 km/s (Isp =1,8 min s). Stosując czysty deuter można by osiągnąć prędkość wynoszącą 4% prędkości światła, a używając deuter/hel 3 - 6% prędkości światła! Choć siła ciągu rakiet osiągana dzięki syntezie czystych paliw D-D lub D/3He byłaby zbyt niska na potrzeby transportu w wewnętrznej części Układu Słonecznego, napęd termojądrowy umożliwiłby odbycie podróży do okolicznych gwiazd w czasie krótszym niż 100 lat. Statki kosmiczne z napędem termojądrowym potrzebowałyby paliwa jedynie do rozpoczęcia podróży, ponieważ do hamowania służyłby żagiel magnetyczny, wleczony przez plazmę ośrodka międzygwiazdowego.

Kiedyś rakiety z napędem wykorzystującym syntezę termojądrową sprawią, że podróż na Marsa będzie trwać tygodnie, a nie miesiące, jak obecnie; na przebycie odległości do Jowisza lub Saturna wystarczą miesiące, a nie lata, a podróże do systemów planetarnych innych gwiazd zajmą kilkadziesiąt lat, a nie tysiąclecia. Może się zdarzyć, że technologia napędu rakietowego, wykorzystującego syntezę termojądrową, powstanie jako konsekwencja rozwoju technologii energetyki termojądrowej na Ziemi, lecz równie prawdopodobne jest, iż narodzi się na Marsie. Pamiętajmy, że pierwsze niezawodne silniki parowe powstały na potrzeby statków parowych, a pierwsze solidne reaktory jądrowe - dla atomowych łodzi podwodnych. Nie bez powodu. Systemy ruchome, w przeciwieństwie do nieruchomych, bezustannie stwarzają zapotrzebowanie na opracowanie jeszcze nowocześniejszych technologii. Z punktu widzenia konsumenta kilowat energii jest zawsze taki sam, niezależnie od tego, czy został wyprodukowany w wyniku syntezy termojądrowej, czy spalania węgla. Statki kosmiczne z napędem termojądrowym otworzą jednak przed ludźmi zupełnie nowe horyzonty, zdecydowanie przewyższając inne technologie. Z tych

324 • CZAS MARSA

względów największa presja na opracowanie reaktorów termojądrowych będzie związana z potrzebami napędu kosmicznego: dla transportu międzyplanetarnego oraz biznesmanów, podróżujących na trasie Ziemia-Mars.

Obecnie prace badawcze nad kontrolowaną syntezą termojądrową ślimaczą się, głównie z powodu cięć budżetowych, dokonywanych przez krótkowzrocznych polityków, którzy ani nie chcą, ani nie potrafią zrozumieć potrzeb przyszłości.

Rozwój cywilizacji na Marsie może stworzyć podstawy rozwoju zaawansowanego społeczeństwa technologicznego, wymuszając opanowanie kontrolowanej syntezy termojądrowej.

ROZDZIAŁ 9

TERRAFORMOWANIE MARSA

Bóg stworzył świat, ale Holandię stworzyli Holendrzy.

przysłowie holenderskie

Dotąd zajmowaliśmy się perspektywami badania i kolonizacji Marsa w bliskiej przyszłości. Pora zająć się najpoważniejszym wyzwaniem, jakie dla ludzkości stanowi Czerwona Planeta - terraformowaniem.1'2 Czy potrafimy przekształcić Marsa tak, by całkowicie nadawał się do zamieszkania?

Na pierwszy rzut oka pomysł wygląda zupełnie nierealnie, jak czysta fantastyka. Niedawno podróże ludzi na Księżyc pozostawały domeną literatury science fiction, a dziś są przedmiotem badań historyków, podczas gdy inżynierowie pracują nad załogowymi wyprawami na Marsa. Większość ludzi uważa, że radykalna zmiana temperatury i atmosfery Czerwonej Planety, tak by osiągnąć warunki bardziej przypominające środowisko ziemskie, czyli terraformowanie Marsa, jest albo fantazją, albo zadaniem, które będzie można wykonać, dysponując technologiami odległej przyszłości. W przeciwieństwie do niektórych ekstremalnych koncepcji - takich jak podróże z prędkością większą od prędkości światła lub nanotechnologie - terraformowanie ma już jednak pewną historię: około 4 miliardów lat.

1 A. Clarke: Śniegi Olimpu. Ogród na Marsie. Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.

2 M. Fogg: Terraforming: Engineering Planetary Environments. Society of Auto-motive Engineers, Warrendale, Pensylwania 1995.

326 • CZAS MARSA

Historia rozwoju życia na Ziemi to zarazem historia terrafor-mowania - dlatego nasza Błękitna Planeta jest dziś tak piękna. Gdy Ziemia powstała, w jej atmosferze nie było tlenu, tylko dwutlenek węgla i azot, powierzchnię zaś stanowiły bezwartościowe odłamki skalne. Całe szczęście, że w tym czasie Słońce świeciło z jasnością równą 70% dzisiejszej: gdyby nad młodą Ziemią świeciło dzisiejsze Słońce, gruba warstwa dwutlenku węgla w atmosferze spowodowałaby silny efekt cieplarniany, który zmieniłby środowisko planety w gorące, wrzące piekło, przypominające Wenus. Kolejna sprzyjająca okoliczność: na Ziemi wy ewoluowały organizmy przeprowadzające fotosyntezę i zaczęły przekształcać atmosferyczny dwutlenek węgla w tlen, a proces ten całkowicie zmienił warunki chemiczne, panujące na powierzchni planety. Dzięki temu nie doszło do galopującego efektu cieplarnianego i rozpoczęła się ewolucja aerobów, czyli tlenowców - organizmów wykorzystujących do oddychania tlen. Rozwój roślin i zwierząt powodował dalsze zmiany na powierzchni Ziemi: powstanie warstwy gleby i radykalną zmianę klimatu planety. Formy żywe kierują się egoistycznymi pobudkami, dlatego nie jest niespodzianką, że wszystkie powodowane przez nie modyfikacje warunków ziemskich przyczyniały się do zwiększenia szans przetrwania życia, powiększenia biosfery i przyspieszenia tempa ewolucji.

Ludzkość jest najnowszym, kolejnym adeptem sztuki zmieniania warunków zgodnie z własnymi potrzebami. Najstarsze cywilizacje stosowały meliorację, wysiewały rośliny uprawne, udomowiły zwierzęta i chroniły stada, by pełniej wykorzystać te obszary Ziemi, które najlepiej się nadawały do zamieszkania. W ten sposób poszerzyła się część biosfery dostępna ludzkości, zwiększyła się populacja, a przez to człowiek zyskał możliwość dalszego wpływania na środowisko i podtrzymywania wzrostu populacji w tempie wykładniczym. W wyniku tych działań Ziemia została dosłownie przekształcona w miejsce zamieszkania miliardów ludzi. Spora część ludzkości została zwolniona z konieczności codziennej walki o przetrwanie -dzięki temu niektórzy mogą przyglądać się nocnemu niebu i poszukiwać nowych światów.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 327

Spotkać się można z opinią, że pomysł terraformowania Marsa jest heretycki - ponieważ ludzie bawiliby się w Boga. Inni zaś uważają, że terraformowanie stanowiłoby dzieło najpełniej dowodzące boskiej natury ludzkiego ducha, o czym najwy-datniej świadczyłoby przekształcenie wymarłego świata w żywą planetę. Moje poglądy i sympatie zbliżają mnie do grupy zwolenników drugiego podejścia, a nawet gotów jestem posunąć się jeszcze dalej. Sądzę, że niepowodzenie terraformowania Marsa świadczyłoby o niezdolności spełnienia naszej ludzkiej natury i niewywiązaniu się ze zobowiązań, które na nas, jako przedstawicielach życia, ciążą. Dziś żywa biosfera może się rozrastać i objąć zupełnie nowy świat. Ludzkość ze swoją inteligencją i technologiami stanowi wyjątkowy efekt ewolucji biologicznej, pozwalający zdobyć dla życia nowy ląd - pierwszy z wielu nowych światów w kosmosie. Niezliczone istoty żyły i umierały podczas przekształcania Ziemi w miejsce umożliwiające ludzkie istnienie. Nadszedł czas, byśmy wykonali swoje zadanie.

Postawmy ponownie pytanie: Czy potrafimy przekształcić Marsa tak, by całkowicie nadawał się do zamieszkania?

Przeanalizujmy to zagadnienie. Mimo że obecnie Mars jest zimny, suchy i prawdopodobnie pozbawiony życia, ma wszystkie pierwiastki i związki niezbędne do podtrzymywania życia: wodę, węgiel, tlen (związany w dwutlenku węgla) i azot. Możliwe do przyjęcia i zbliżone do ziemskich są warunki fizyczne panujące na Marsie: wartość siły ciążenia, prędkość obrotu planety wokół własnej osi, nachylenie osi obrotu do płaszczyzny orbity oraz odległość od Słońca. Mars wykazuje braki pod jednym tylko względem: ma niewielką atmosferę.

Ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza na Ziemi wynosi l bar, czyli 1000 milibarów. (Bar jest jednostką ciśnienia: l bar = 100 000 paskali = 1000 hektopaskali, a l Pa = l N/m2. Milibar to jedna tysięczna część bara: l b = 1000 mbar. Bary i milibary są używane w meteorologii i będziemy się nimi posługiwać w mniejszych rozważaniach na temat terraformowania). Obecnie ciśnienie atmosfery Marsa, składającej się głównie z dwutlenku węgla, wynosi 6-10 mbar, znacznie mniej niż

328 • CZAS MARSA

1% ziemskiego ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza. Wiemy jednak, że niegdyś atmosfera Marsa była dużo grubsza. Koryta rzeczne, widoczne na Czerwonej Planecie, świadczą o tym, że kiedyś po jej powierzchni płynęła woda, a woda w stanie ciekłym może występować jedynie w pewnym zakresie temperatur i ciśnienia. Pod ciśnieniem ziemskim, na powierzchni morza, ciekła woda może istnieć w temperaturach pomiędzy punktem zamarzania, 0°C, a punktem wrzenia, 100°C. Temperatury i ciśnienie na Marsie musiały być wyższe niż obecnie, skoro po powierzchni planety płynęła woda.

Mimo że dzisiejsza atmosfera Marsa jest cienka, naukowcy sądzą, iż na planecie istnieją zapasy dwutlenku węgla wystarczające, by doprowadzić do jej istotnego pogrubienia. Pokrywająca biegun południowy czapa suchego lodu dostarczy części potrzebnego gazu. Kolejna partia zawarta jest wewnątrz regoli-tu - luźnego skalistego materiału, pokrywającego powierzchnię planety. („Regolit" to astrogeologiczny termin, określający powierzchniową warstwę ziemi, glebę lub muł; odnosi się do dowolnego planetarnego ciała. „Gleba" to ziemski regolit). Wydzielenie się dwutlenku węgla z całego regolitu bardzo znacząco zwiększyłoby ciśnienie atmosferyczne, być może do wartości 30% ciśnienia na Ziemi, czyli do wysokości 300 mbar (prawie 1/3 bara). Ogrzanie planety spowoduje uwolnienie ogromnych zasobów uwięzionego dwutlenku węgla. To nie tylko teoria: wiemy, że wartości temperatury i ciśnienia na Marsie zmieniają się wraz z cyklem zmian odległości, dzielącej planetę od Słońca w trakcie obiegu po orbicie. Z powodu zmiany odległości planety od Słońca podczas marsjańskiego roku zmienia się ciśnienie atmosferyczne: o 20% więcej lub mniej od średniej rocznej.

Rzecz jasna, nie jesteśmy w stanie przesunąć Marsa na cieplejszą, bliższą Słońca orbitę. Znamy za to inną metodę ocieplenia planety, stosowaną w sposób nie kontrolowany na Ziemi przez ostatnie stulecie: zwiększanie temperatury w wyniku uwalniania lub wytwarzania gazów, które potrafią „uwięzić" promieniowanie podczerwone, czyli energię cieplną Słońca. Zjawisko to, zwane na Ziemi efektem cieplarnianym, jest rezul-

TERRAFORMOWANIE MARSA • 329

tatem wprowadzenia do atmosfery dwutlenku węgla, pochodzącego ze spalania paliw kopalnych i wytwarzania przez przemysł innych gazów cieplarnianych (czyli przyczyniających się do powstawania i nasilania efektu cieplarnianego). Identyczny proces może zajść również na Marsie, niezależnie od tego, czy go nazwiemy terraformowaniem, czy efektem cieplarnianym. Na Marsie atmosferyczna „cieplarnia" może powstać na przynajmniej trzy sposoby: poprzez ocieplanie wybranych obszarów powierzchni planety, by wydzielały duże ilości dwutlenku węgla, naturalnego gazu cieplarnianego; po drugie, poprzez budowanie na Marsie fabryk produkujących silnie działające, sztuczne gazy cieplarniane, takie jak chlorowcowe pochodne węglowodorów (freony); lub - po trzecie - gdy już warunki panujące na Marsie poprawią się dostatecznie w wyniku zastosowania jednej z powyższych metod, możemy wprowadzić na planetę bakterie wytwarzające naturalne gazy cieplarniane silniejsze niż dwutlenek węgla (lecz słabsze od freonów), na przykład amoniak lub metan.

Choć koncepcja terraformowania Marsa brzmi fantastycznie, to składające się na nią pomysły opierają się na solidnych podstawach. Najważniejszy jest pomysł doprowadzenia do sprzężenia zwrotnego, sytuacji, w której rezultaty procesu wzmacniają czynniki wywołujące jego zachodzenie. W przypadku marsjańskiego efektu cieplarnianego sprzężenie zwrotne powstać może w skutek powiązania ciśnienia atmosferycznego (grubości atmosfery) z temperaturą atmosfery. Ogrzanie Marsa spowoduje wydzielanie się gazowego dwutlenku węgla z czap polarnych i regolitu. Masy uwolnionego dwutlenku węgla pogrubią atmosferę i poprawią jej zdolność do więzienia ciepła. Z kolei zgromadzone w atmosferze ciepło spowoduje dalszy wzrost temperatury na powierzchni planety, a przez to zwiększenie ilości dwutlenku węgla, uwalnianego z czap polarnych i marsjańskiego regolitu. To właśnie stanowi klucz do terraformowania Marsa - im cieplej, tym atmosfera staje się grubsza; a im grubsza atmosfera, tym cieplej.

W następnym podrozdziale wyjaśniam, w jaki sposób można modelować podobne układy; przedstawię też rezultaty obliczeń

330 • CZAS MARSA

wynikające z przyjętego modelu. Stanowią one poważny argument za tym, że w XXI wieku ludzkość będzie mogła wywołać skuteczne zmiany środowiska, zmierzające do poprawy warunków mieszkalnych na powierzchni Czerwonej Planety. Wygląda na to, że naprawdę potrafimy terraformować Marsa.

Etapy terraformowania

Na Marsie występuje bardzo dużo dwutlenku węgla, podstawowego gazu cieplarnianego, większa jego część jest jednak uwięziona w czapach polarnych lub w regolicie. Ocieplenie Czerwonej Planety będzie wymagać skorzystania z obu tych źródeł, lecz do zapoczątkowania procesu użyty zostanie dwutlenek węgla z biegunów.

Prowadząc wraz z Chrisem McKayem obliczenia, wykorzystujące modele klimatu Marsa, wykazaliśmy, że niewielki, lecz trwały wzrost temperatury na południowym biegunie Marsa -o zaledwie 4°C - może zapoczątkować galopujący efekt cieplarniany prowadzący do wyparowania czapy polarnej. (Dla czytelników pragnących poznać szczegóły równań umieściłem na końcu rozdziału bardziej specjalistyczny dodatek, który opisuje model przyjęty za podstawę obliczeń związanych z terraformo-waniem). W miarę parowania czapy polarnej rośnie temperatura i ciśnienie atmosfery planety i rozpoczyna się uwalnianie ogromnych ilości dwutlenku węgla z regolitu. Krótko mówiąc, nieznaczny wzrost temperatury na biegunie południowym, o 4°C, może doprowadzić do wzrostu temperatury na całej planecie o kilkadziesiąt stopni oraz wzrostu ciśnienia z 6 mbar do kilkuset milibarów.

Mogłoby się wydawać, że podniesienie temperatury na południowym biegunie o 4°C nie wystarczy, by zapoczątkować podobną transformację planety. Sytuacja jednakże przypomina piramidę z jabłek ustawioną w sklepie warzywnym: wystarczy usunąć jedno jabłko z dołu, a cała konstrukcja runie. Nietrudno zburzyć piramidę, chociaż ktoś długo i cierpliwie ustawiał jabłka w pozycji delikatnej i nietrwałej równowagi.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 331

Podobnie jest z czapą lodową na południowym biegunie Marsa. Składa się ona z suchego lodu, czyli zamarzniętego dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla można scharakteryzować poprzez wielkość, zwaną prężnością pary, równą ciśnieniu pary nasyconej w stanie równowagi termodynamicznej z cieczą. Prężność pary stanowi miarę skłonności substancji do zmiany stanu skupienia do stanu gazowego, czyli pary. Wartość prężności pary wynika z temperatury, więc gdy ogrzewamy substancję, zwiększamy prężność pary; substancja będzie wówczas szybciej zmieniać się w parę lub gaz. Prężność pary dwutlenku węgla w temperaturze 147 K wynosi 6 mbar -obecną wartość na południowym biegunie Marsa. (Aby otrzymać wartość w stopniach Celsjusza, od temperatury podanej w kelwinach trzeba odjąć 273. Dlatego 273 K = 0°C, a 147 K = -126°C). Warunki równowagi na południowym biegunie Marsa są właśnie takie: temperatura 147 K i ciśnienie 6 mbar. Dopóki temperatura bieguna wynosi mniej więcej 147 K, trudno doprowadzić do zwiększenia ciśnienia dwutlenku węgla powyżej 6 mbar, ponieważ dodatkowy dwutlenek węgla wytrąci się z równowagi i powróci do postaci suchego lodu w czapie polarnej.

Co by się stało, gdybyśmy sztucznie zwiększyli temperaturę na biegunie? Później powrócimy do kwestii realizacji tego celu za pomocą dużych, znajdujących się na orbicie luster służących do skupiania światła słonecznego na okolicach bieguna południowego; na razie przyjmijmy, że zaczęliśmy ogrzewać biegun. W konsekwencji wzrostu temperatury rośnie prężność pary dwutlenku węgla, co powoduje, że większe ilości tego związku mogą wyparować do atmosfery z bieguna. Wprawdzie prężność pary - miara skłonności substancji do przechodzenia w stan gazowy, oraz ciśnienie atmosferyczne - miara rzeczywistego ciężaru warstwy atmosfery nad powierzchnią planety, to dwie zupełnie odmienne wielkości, można jednak stwierdzić, że wzrost prężności pary dwutlenku węgla na biegunie wywołuje (poprzez wpompowywanie do atmosfery planety ogromnych ilości CO2 z parującego bieguna) wzrost globalnej wartości ciśnienia atmosferycznego. Znamy prężność pary na-

332 • CZAS MARSA

syconej dwutlenku węgla w dowolnej temperaturze - możemy ją odnaleźć w tabelach chemicznych - i wiemy, że dwutlenek węgla w takich samych warunkach zachowuje się identycznie na Ziemi i na Marsie. Znamy również, choć z mniejszą dokładnością, zdolność warstwy dwutlenku węgla w atmosferze planety do wywoływania efektu cieplarnianego; dlatego możemy z sensowną dokładnością oszacować wielkość wzrostu temperatury w wyniku pogrubienia atmosfery. Rozumiemy sytuację panującą na biegunie, znaczenie prężności i jej powiązanie z temperaturą: czas przystąpić do obliczeń ukazujących, w jaki sposób można ruszyć z kopyta z terraformowaniem Marsa.

Na początek przyjrzyjmy się rysunkowi 9.1. Przedstawia wyniki zastosowania modelu mojego i McKaya do sytuacji na południowym biegunie Marsa, przy założeniu, że dwutlenek węgla występuje tam w ilości wystarczającej do utworzenia wokół planety atmosfery o ciśnieniu 50-100 mbar. Wykres ukazuje temperaturę na biegunie w zależności od ciśnienia atmosferycznego, a prężność pary nasyconej - w zależności od temperatury na biegunie. Zwróćmy uwagę na dwa punkty, A i B, gdzie krzywe się przecinają. Te dwa punkty stanowią położenia równowagi atmosfery Marsa, w których średnie ciśnienie atmosferyczne (P - ciśnienie atmosferyczne na średniej wysokości powierzchni Marsa, mierzone w milibarach) i temperatura na biegunie (T - w kelwinach), podawane przez obie krzywe, są ze sobą konsystentne. Punkt A określa położenie równowagi trwałej, a B - nietrwałej, co wynika ze zbadania zachowania układu w punktach innych niż położenia równowagi. Jeśli krzywa temperatury leży ponad krzywą prężności pary, na wykresie układ będzie przesuwać się w prawą stronę, ku większym wartościom ciśnienia i temperatury: sytuacja taka odpowiada galopującemu efektowi cieplarnianemu. Jeśli zaś krzywa temperatury leży poniżej krzywej prężności pary, układ będzie się przesuwać w lewą stronę, ku mniejszym wartościom ciśnienia i temperatury; byłby to galopujący „efekt lodówkowy". Obecnie Mars znajduje się w punkcie równowagi A, o ciśnieniu 6 mbar i temperaturze około 147 K na biegunie.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 333

EFEKT CIEPLARNIANY SPOWODOWANY UWOLNIENIEM CO2 UWIĘZIONEGO NA BIEGUNACH MARSA

220

200

180 -

160 -

140 -

120

ciśnienie pary temperatura bieguna

0,1

10 ciśnienie [mb]

100

1000

Rys. 9. l. Dynamika współzależności czapy polarnej i marsjańskiej atmosfery. Obecnie Mars jest w położeniu równowagi A. Wzrost temperatury o 4°C spowoduje zlanie się punktów równowagi A i B, co doprowadzi do galopującego rozgrzewania atmosfery i, w końcu, do zniknięcia czapy lodowej.

Zastanówmy się teraz, co by się stało, gdyby w sposób sztuczny temperatura na marsjańskim biegunie została zwiększona o parę kelwinów. W miarę wzrostu temperatury cała krzywa temperatury przesunie się na wykresie w górę, a punkty A i B zbliżą się do siebie. Przy wzroście temperatury wynoszącym 4 K krzywa temperatury przesunie się w górę na tyle, że znajdzie się ponad krzywą prężności we wszystkich punktach. W konsekwencji doszłoby do galopującego efektu cieplarnianego, pociągającego wyparowanie całych czap polarnych podczas niespełna dziesięciu lat. Gdy ciśnienie i temperatura przewyższą obecne wartości dla punktu B, galopujący efekt cieplarniany będzie zachodzić na Marsie nawet bez sztucznego ogrzewania, a więc atmosfera pozostanie w osiągniętym położeniu po zakończeniu ogrzewania biegunów.

334 • CZAS MARSA

Po wyparowaniu czap polarnych zacznie odgrywać rolę dynamika efektu cieplarnianego, związanego z zasobami dwutlenku węgla, uwięzionymi w marsjańskim regolicie. Zasoby, wystarczające do utworzenia na Marsie atmosfery o ciśnieniu 400 mbar, występują głównie na obszarach położonych na dużej szerokości geograficznej. Dwutlenku węgla nie da się w całości wydobyć z regolitu, gdyż, w wyniku ocieplenia, na powierzchni zachowuje się jak „sucha gąbka", na powrót nasiąkająca wydzielonymi gazami. W tym miejscu napotykamy, niestety, pewną niewiadomą - ile wynosi energia lub wzrost temperatury wymagane do wydzielenia się dwutlenku węgla z marsjańskiego regolitu. Nieznaną wielkość nazywamy temperaturą desorpcji (Td). Szacujemy, że Td wynosi 20 K, lecz później przeanalizujemy zachowanie modelu przy zmienionych wartościach Td. Rysunek 9.2 prezentuje dynamikę współzależności atmosfery i regolitu. Wykres przedstawia wartość ciśnienia atmosferycznego na Marsie, wytworzonego w wyniku wydzielania się gazów z regolitu (na rysunku nazwanego ciśnieniem regolitu) w funkcji temperatury regolitu, T. (T to średnia ważona temperatur regolitu z różnych obszarów planety, uwzględniająca zdolność regolitu do przetrzymywania adsorbowanego gazu w konkretnej, miejscowej temperaturze. Ponieważ zimniejsze gleby zawierają więcej CO2, T zwykle odzwierciedla temperatury marsjańskich obszarów arktycz-nych, wokół bieguna północnego, i antarktycznych, leżących w okolicy bieguna południowego). Wykres na rysunku 9.2 pokazuje również zależność temperatury regolitu jako funkcji ciśnienia dwutlenku węgla w atmosferze. Wykresy powstały przy założeniu, że wydzielenie całych biegunowych zapasów dwutlenku węgla spowodowałoby zwiększenie ciśnienia atmosferycznego o 100 mbar, natomiast uwolnienie całych zapasów z regolitu - wzrost o 394 mbar. W efekcie, wziąwszy pod uwagę wielkość zasobów lotnego dwutlenku węgla, ciśnienie marsjań-skiej atmosfery wzrosłoby z 6 mbar do 500 mbar.

Z rysunku 9.2 wynika, że dla wybranej temperatury desorpcji (Td = 20 K) układ atmosfera/regolit ma tylko jedno trwałe położenie równowagi (odpowiadające punktowi przecięcia

TERRAFORMOWANIE MARSA • 335

EFEKT CIEPLARNIANY SPOWODOWANY WYDZIELANIEM GAZÓW PRZEZ REGOLIT

280

260 -

rr 240

220 -

200 -

180 -

160

temperatura regolitu

ciśnienie regolitu

letnie temperatury zwrotnikowe

0,1

10 ciśnienie [mb]

100

1000

Rys. 9.2. Dynamika współzależności marsjańskiej atmosfery i regolitu w warunkach Td = 20 przy zasobach substancji lotnych, odpowiadających atmosferze o ciśnieniu 500 mbar.

krzywych). Po wyparowaniu czap polarnych globalne marsjań-skie ciśnienie i temperatura będą zmierzać do osiągnięcia tych wartości. W chwili wyczerpania się zasobów dwutlenku węgla na biegunach i w marsjańskim regolicie, czyli zatrzymania procesu wydzielania się gazów z obu źródeł, istnieć będzie atmosfera o ciśnieniu 300 mbar, czyli 300 hPa. Rysunek 9.2. ukazuje też średnie temperatury dobowe na obszarach podzwrotnikowych Marsa (Tmax) podczas lata, gdy atmosfera grubieje. Zwróćmy uwagę na to, że krzywa zbliża się do 273 K, temperatury zamarzania wody, czyli - biorąc pod uwagę terra-formowanie Marsa - punktu topnienia lodu z wody. Przy umiarkowanym zaangażowaniu w sztuczne nasilenie efektu cieplarnianego dojdzie do topnienia lodu i wiecznej zmarzliny. Gdyby się okazało, że założenie dotyczące wartości temperatury desorpcji (Td = 20 K) jest zbyt optymistyczne, położenie

336 • CZAS MARSA

260

240 -

220 -

200 -

180 H

160

KRZYWA RÓWNOWAGI POMIĘDZY ATMOSFERĄ A REGOLITEM DLA RÓŻNYCH T^

T, = 20

100

1000

ciśnienie [mb]

Rys. 9.3. Sztucznie wywołany wzrost temperatury regolitu o 10 K może zrównoważyć skutki, wywoływane innymi wartościami Td. Podane wielkości zakładają występowanie na planecie zasobów substancji lotnych, odpowiadających atmosferze CO,, o ciśnieniu 500 mbar.

równowagowego punktu zbiegania się krzywych (punkt C na rysunku 9.2) może bardzo istotnie zależeć od przyjętej wartości Td. Rysunek 9.3 przedstawia krzywe temperatury potrzebnej do wydzielania się dwutlenku węgla z regolitu przy temperaturach desorpcji Td = 25 K i Td = 30 K. W tych przypadkach ciśnienie w punkcie zbiegania się krzywych ulega radykalnej zmianie - z 300 mbar przy Td = 20 K do 31 mbar przy Td = 25 K i 16 mbar przy Td = 30 K. Podobnie wyjątkowa, silna zależność ostatecznych wyników działań od nieznanej wartości Td może na pierwszy rzut oka dyskwalifikować całe przedsięwzięcie ter-raformowania. Rysunek 9.3 ukazuje dodatkowo krzywą (zaznaczoną linią przerywaną), która opisuje rozwój sytuacji przy wykorzystaniu sztucznych metod wywoływania efektu cieplarnianego, powodujących utrzymywanie się temperatury regolitu

TERRAFORMOWANIE MARSA • 337

KRZYWA CIŚNIENIA RÓWNOWAGI CO2 NA PUSTYM MARSIE

ciśnienie, DT = 20 ciśnienie, DT = 10 ciśnienie, DT = 5 ciśnienie, DT = O

100 -

25 30 35 energia uwalniania gazów z regolitu [T ]

Rys. 9.4. Ciśnienie równowagowe osiągnięte na Marsie przy wysokości zasobów substancji lotnych, odpowiadających atmosferze CO2 o ciśnieniu 500 mbar, nie licząc 50 mbar CO2 uwolnionego z czap polarnych. DT (w tekście AT) oznacza trwały wzrost temperatury, spowodowany sztucznymi metodami wywoływania efektu cieplarnianego.

(Tre ) o 10 K wyższej w porównaniu z temperaturą osiągniętą wyłącznie w wyniku emisji do atmosfery naturalnego gazowego dwutlenku węgla. Jak już wspomnieliśmy, taki stan można uzyskać wpompowując do atmosfery freony z fabryk. Okazuje się, że proces ten bardzo istotnie poprawia osiągane wyniki temperatury i ciśnienia, przy założeniu wartości temperatury desorpcji (Td) wynoszącej 25 K lub 30 K. Ponadto widzimy, że we wszystkich trzech przypadkach (Td = 20, 25, 30 K) ciśnienie ostatecznej atmosfery Czerwonej Planety sięga kilkuset milibarów.

Model zawiera jeszcze jedną niewiadomą, którą należy wziąć pod uwagę, choć wiemy na jej temat więcej niż na temat tem-

338 • CZAS MARSA

MAKSYMALNE TEMPERATURY ZWROTNIKOWE NA UBOGIM MARSIE

« c . 2

290

280-

270-i

? 260 -

250 -

240-

230

25 30 35 energia uwalniania gazów z regolitu [T J

Rys. 9.5. Równowagowe maksymalne temperatury pór roku (średnie dobowe) przy wysokości zasobów substancji lotnych odpowiadających atmosferze CO2 o ciśnieniu 500 mbar, nie licząc 50 mbar z CO2 uwolnionego z czap polarnych.

peratury desorpcji. Chodzi o rzeczywistą wielkość zasobów dwutlenku węgla, występujących na Marsie. Im więcej jest dwutlenku węgla, tym większe jego ilości będziemy mogli wydobyć z regolitu, dzięki czemu zdołamy stworzyć gęstszą atmosferę. Należy szukać odpowiedzi na dwa pytania. Czy Mars jest „bogaty", czy „ubogi" w zasoby dwutlenku węgla? Jakie znaczenie dla rozważanego modelu ma wielkość zasobów dwutlenku węgla na Marsie? Na obecnym etapie jedyne, co możemy zrobić, to wziąć pod uwagę obie możliwości i zobaczyć, jaki mają wpływ na rozwój modelowanej sytuacji.

Spójrzmy na rysunki 9.4, 9.5, 9.6 i 9.7, aby zrozumieć, w jaki sposób obfitość dwutlenku węgla wpływa na terraformowa-nie oraz jak wartość Td zależy od ilości zasobów dwutlenku węgla. Rysunki przedstawiają krzywe osiągniętego ciśnienia i temperatury atmosfery oraz maksymalne temperatury pór roku na podzwrotnikowych obszarach Marsa przy założeniu

TERRAFORMOWANIE MARSA • 339

KRZYWA CIŚNIENIA RÓWNOWAGI CO2 NA BOGATYM MARSIE

1000

ciśnienie, DT = 20 ciśnienie, DT = 10 ciśnienie, DT = 5 ciśnienie, DT = O

energia uwalniania gazów z regolitu [Tri]

Rys. 9.6. Ciśnienie równowagowe osiągnięte na Marsie przy wysokości zasobów substancji lotnych odpowiadających atmosferze CO2 o ciśnieniu 1000 mbar, nie licząc 100 mbar z CO2 uwolnionego z czap polarnych.

Marsa „ubogiego" - w tej wersji całkowite zapasy dwutlenku węgla odpowiadające atmosferze o ciśnieniu 500 mbar (50 mbar dwutlenku węgla w czapach polarnych i 444 mbar w re-golicie) - oraz Marsa „bogatego", mającego całkowite zapasy, które odpowiadają atmosferze o ciśnieniu 1000 mbar dwutlenku węgla (100 mbar dwutlenku węgla w czapach polarnych i 894 mbar w regolicie). Pamiętajmy, że dla innych wartości temperatury desorpcji podwyższenie temperatury regolitu w wyniku stosowania sztucznych metod wywoływania efektu cieplarnianego miało istotne znaczenie dla ostatecznego stanu atmosfery. Zależność ta obowiązuje również teraz, gdy badamy sytuację przy założeniu niestosowania sztucznych metod wywoływania efektu cieplarnianego po początkowym uwolnieniu gazu z czap polarnych oraz ciągłego stosowania sztucznych metod wywoływania efektu cieplarnianego, zapewniających utrzymanie temperatury regolitu wyższej od osiągniętej w wy-

340 • CZAS MARSA

MAKSYMALNE TEMPERATURY ZWROTNIKOWE NA BOGATYM MARSIE

300

230

20 25 30 35 energia uwalniania gazów z regolitu [T.]

Rys. 9.7. Równowagowe maksymalne temperatury pór roku (średnie dobowe) przy wysokości zasobów substancji lotnych odpowiadających atmosferze CO2 o ciśnieniu 1000 mbar, nie licząc 100 mbar dwutlenku węgla uwolnionego z czap polarnych.

niku naturalnego wydzielenia dwutlenku węgla o 5, 10 i 20 K. Z rysunku 9.5 wynika na przykład, że przy założeniu temperatury desorpcji w wysokości 40 K, sztuczne utrzymywanie temperatury atmosfery na poziomie 20 K powoduje całkowite podniesienie temperatury o ponad 40 K. Ponadto widzimy, że w przypadku długotrwałego stosowania sztucznych metod wywoływania efektu cieplarnianego, podnoszących średnią temperaturę o 20 K ponad poziom osiągnięty w wyniku naturalnych procesów wydzielania dwutlenku węgla, nawet przy pesymistycznym założeniu temperatury desorpcji (Td = 40 K) realne jest otrzymanie gęstej atmosfery i pożądanych wartości ciśnienia.

Z rozważań tych wypływa ważny wniosek: choć ostateczne warunki panujące na terraformowanym Marsie bardzo istotnie zależą od nieznanej wielkości energii potrzebnej do uwolnienia

TERRAFORMOWANIE MARSA • 341

dwutlenku węgla z regolitu (Td), to jeszcze bardziej zależą one od poziomu sztucznie wywołanego efektu cieplarnianego. Można po prostu powiedzieć, że osiągnięte ostatecznie warunki układu atmosfera/regolit są zależne od ludzkiego działania. Sztuczne utrzymywanie temperatury powyżej powstałej w wyniku naturalnego wydzielania dwutlenku węgla pozwala oswobodzić się z ograniczeń narzucanych przez nawet skrajnie niekorzystne wartości Td.

Jak szybko z regolitu wydobędzie się atmosfera?

Dotychczas analizowaliśmy ostateczne warunki, osiągnięte po wyparowaniu całego dwutlenku węgla z okolic biegunów oraz po uwolnieniu go z regolitu. Czapy polarne będą szybko wydzielać dwutlenek węgla, natomiast proces wydobywania adsorbowanego dwutlenku węgla z regolitu, zwłaszcza z głębszych warstw, potrwa nieco dłużej. Dla sensowności terrafor-mowania kluczowe znaczenie ma więc tempo wydzielania dwutlenku węgla z regolitu. Gdyby uwolnienie potrzebnych ilości gazu miało trwać na przykład 100 milionów lat, nasze rozważania miałyby czysto akademicki charakter.

Tempo wydobywania się gazu z regolitu będzie bezpośrednio zależne od prędkości, z jaką rosnąca temperatura „wnika" w głąb marsjańskiej ziemi. Niezłe oszacowanie dostaniemy zakładając, że regolit w dużym stopniu przypomina suchą, ziemską glebę, być może zawierającą trochę wymieszanego lodu. Prędkość propagacji wzrostu temperatury określają prawa przewodnictwa cieplnego. Równania opisujące przewodnictwo cieplne mówią nam, że czas potrzebny na to, by w wybranym miejscu wewnątrz ośrodka temperatura wzrosła o odpowiednią wartość, jest proporcjonalny do kwadratu odległości. Wykorzystując dane dla suchych gleb na Ziemi, możemy stwierdzić, że w przypadku Marsa prędkość wnikania ciepła wynosić będzie około 16 m2 rocznie. Potrzebna nam jest również szacunkowa wartość ilości gazu zawartego w regolicie. Po schłodzeniu mineralnego zeolitu do marsjańskiej tempera-

342 • CZAS MARSA

tury i wystawieniu na kontakt z dwutlenkiem węgla okazuje się, że zeolit absorbuje tyle dwutlenku węgla, że stanowi on potem 20% wagi stałego zeolitu. Marsjański regolit nie składa się z zeolitu, najprawdopodobniej jednak zawiera sporo nie tak bardzo różniących się od zeolitu minerałów ilastych. Przyjmijmy zatem następujące wartości charakteryzujące marsjański regolit: stopień nasycenia regolitu dwutlenkiem węgla wynosi 5%, a luźny materiał powierzchniowy ma średnią gęstość mniej więcej 2,5 tony na metr sześcienny. Gdyby wartości te odpowiadały rzeczywistym, aby uzyskać atmosferę o ciśnieniu 1000 mbar (czyli l bar lub 1000 hPa, wartość ziemskiego ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza), trzeba by doprowadzić do wydzielania gazu z warstw regolitu do głębokości 200 m. Powiedzmy, że sztucznie wywołaliśmy wzrost temperatury na powierzchni o 10 K, pozwalający na emisję większości gazów uwięzionych w regolicie. Ten wzrost temperatury będzie następnie wnikał w głąb gleby z prędkością podaną w tabeli 9. l.

Widzimy, że choć długo trzeba czekać na dotarcie ciepła na duże głębokości, stosunkowo szybko wyższa temperatura zapanuje na umiarkowanych głębokościach. Wprawdzie otrzymanie atmosfery o zakładanym ciśnieniu 1000 mbar w wyniku wydzielania się gazów z warstwy regolitu grubości 100 m może potrwać tysiące lat, jednak tylko kilkadziesiąt lat potrzeba na uzyskanie z regolitu pierwszych 100 mbar.

Gdy już większe obszary Marsa osiągną temperaturę wyższą od temperatury zamarzania wody, przynajmniej podczas cieplejszych pór roku, rozpocznie się proces topnienia wody wmarzniętej w regolit jako wieczna zmarzlina. Woda zacznie płynąć wyschniętymi korytami rzecznymi. Para wodna również stanowi gaz, wywołujący efekt cieplarniany, a na Marsie w zaistniałych warunkach prężność pary wodnej znacznie wzrośnie. Zatem powtórne pojawienie się ciekłej wody na powierzchni Marsa będzie jednym z wielu czynników przyspieszających globalne ocieplenie planety. Występowanie ciekłej wody, przynajmniej podczas cieplejszych pór roku, jest fundamentalnym wymogiem powstania pierwszych naturalnych ekosystemów na powierzchni Czerwonej Planety.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 343

Dysponujemy niepełną wiedzą na temat dynamiki procesu emisji gazu z regolitu; ponadto wielkość całkowitych zasobów dwutlenku węgla poznamy dopiero wtedy, gdy pierwsi ludzie na Marsie przeprowadzą szczegółową ocenę sytuacji. Dlatego przedstawione wyniki należy uważać za przybliżone i tymczasowe. Mimo to sprzężenie zwrotne, wynikające z wywołania efektu cieplarnianego przez naturalne procesy wydzielania dwutlenku węgla, znacznie ogranicza zakres działań potrzebnych do terraformowania planety. Ponieważ ilość gazów cieplarnianych koniecznych do ogrzania planety jest z grubsza proporcjonalna do kwadratu zakładanego wzrostu temperatury, spowodowanie na Marsie galopującego efektu cieplarnianego przy sztucznym podwyższeniu temperatury o 10 K wymaga jedynie 4% działań kierowanych przez człowieka w porównaniu z koniecznością podniesienia temperatury o całe 50 K (do

Tab. 9.1. Tempo wydzielania atmosfery z marsjanskiego regolitu.

CZAS GŁĘBOKOŚĆ UZYSKANA ATMOSFERA (W ZIEMSKICH LATACH) WNIKNIĘCIA (W METRACH) (W MILIBARACH)

1 4 20

4 8 40

9 12 60

16 16 80

25 20 100

36 24 120

49 28 140

64 32 160

81 36 180

100 40 200

144 48 240

196 56 280

256 64 320

324 72 360

400 80 400

900 120 600

1600 160 800

2500 200 1000

344 • CZAS MARSA

osiągnięcia przez podzwrotnikowe obszary Marsa temperatury wyższej od temperatury zamarzania wody) sztucznymi, siłowymi metodami. Zajmiemy się teraz kwestią sztucznego wywołania wzrostu temperatury o 10 K.

Metody globalnego ocieplenia Czerwonej Planety

Najbardziej obiecujące wydają się następujące trzy metody wywołania wzrostu temperatury (potrzebnego do zapoczątkowania galopującego efektu cieplarnianego): umieszczenie na orbicie zwierciadeł zmieniających bilans cieplny bieguna południowego (co spowoduje parowanie zasobów dwutlenku węgla); masowa produkcja freonów w zakładach przemysłowych na powierzchni Marsa i ich emisja do atmosfery; oraz, po trzecie, utworzenie na dużych obszarach Marsa ekosystemów bakterii, przyczyniających się do globalnego ocieplenia poprzez wytwarzanie silnych, naturalnych gazów cieplarnianych, m.in. amoniaku i metanu. Rozważymy wszystkie trzy możliwości, przekonamy się jednak, że stosując w tym samym czasie kombinację rozmaitych metod osiągniemy lepsze wyniki, niż gdybyśmy użyli wyłącznie jednej metody.3

Lustra na orbicie

Produkcja luster, przystosowanych do przebywania w przestrzeni kosmicznej i zdolnych wywołać ocieplenie całej powierzchni Czerwonej Planety do ziemskich temperatur, teoretycznie jest możliwa, choć stawia wyzwania technologiczne, wykraczające daleko poza zakres niniejszej książki. Prościej będzie zbudować skromniejszą wersję: lustro zdolne ogrzać wybrany obszar Marsa o parę stopni. Wyniki przedstawione na rysunku 9.1. świadczą o tym, że ogrzanie okolic bieguna południowego o 4 K powinno wywołać parowanie tamtejszych zaso-

3 M. Fogg: Terraforming: Engineering Planetary Environments, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pensylwania 1995.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 345

bów zamarzniętego dwutlenku węgla. Biorąc pod uwagę wielkość energii słonecznej, potrzebną do podniesienia temperatury obszaru o określoną liczbę stopni ponad biegunową temperaturę 150 K, wnioskujemy, że znajdujące się w przestrzeni kosmicznej lustro o promieniu 125 km odbijałoby dość światła słonecznego, by ogrzać cały obszar na południe od równoleżnika 70° południowej szerokości areograficznej o 5 K (więcej niż trzeba). Statek z lustrem, wykonanym z aluminiowanego mylaru (podobnego typu, co materiał na żagle słoneczne) o gęstości 4 ton na km2, miałby masę 200 tysięcy ton. Po ziemskich oceanach pływa wiele równie masywnych statków. Jeśli jednak rozmiary konstrukcji przeszkodzą w bezpośrednim starcie z Ziemi, a będą opracowane technologie produkcyjne przystosowane do przestrzeni kosmicznej, należy poważnie wziąć pod uwagę możliwość wybudowania lustra w otwartej przestrzeni, z wykorzystaniem materiałów pochodzących z pla-netoidy bądź marsjańskiego księżyca. Na obróbkę materiałów podczas budowy podobnego zwierciadła potrzeba by około 120 megawatolat energii elektrycznej, ilości bez trudu dostarczanej przez zestaw 5 MW reaktorów jądrowych, stosowanych na załogowych statkach kosmicznych z jądrowym napędem elektrycznym (NEP).

Ciekawe, że w pobliżu Marsa odpowiednio zbudowane lustro wcale nie będzie musiało krążyć po orbicie, gdyż siłę grawitacji planety zrównoważy ciśnienie światła słonecznego. Urządzenie statycznie unosiłoby się nad Czerwoną Planetą, nieprzerwanie skupiając promienie słoneczne na obszarze biegunowym.4 Zakładając podaną gęstość materiału, obliczamy, że lustro powinno znajdować się na wysokości 214 tysięcy km. Pomysł wykorzystania zwierciadła wiszącego statycznie nad powierzchnią Marsa jest zilustrowany na rysunku 9.8, natomiast rysunek 9.9 przedstawia krzywą wielkości lustra potrzebnej do rozgrzania wybranych obszarów biegunowych planety.

4 R. Forward: The Statite: A Non-Orbiting Spacecraft, AAUA 89-2546, AIAA/ ASME, 25th Joint Propulsion Conference, Monterey, Kalifornia, lipiec 1989.

346 • CZAS MARSA

Słońce

Rys. 9.8. Żagle, statycznie unoszące się na wysokości 214 tysięcy km nad powierzchnią Marsa, wykonane z materiału o gęstości 4 ton/km2, utrzymują lustro w miejscu dzięki ciśnieniu padającego światła słonecznego. Rezygnacja z niewielkiej części światła pozwala uniknąć rzucania cienia.

Jeśli temperatura desorpcji (Td) nie przekracza 20 K, to, być może, sam dwutlenek węgla wydzielony z czap polarnych wystarczy, by spowodować emisję dwutlenku węgla z regolitu i zapoczątkować galopujący efekt cieplarniany. Skoro jednak, jak przypuszczamy, Td przekracza 20 K, zadanie stworzenia grubej atmosfery o odpowiednio wysokim ciśnieniu będzie wymagać wprowadzenia do atmosfery Marsa gazów silnie wywołujących efekt cieplarniany, które wymuszą globalne ocieplenie planety.

Produkcja freonów na Marsie

Najprostszy sposób na podniesienie marsjańskiej temperatury to zbudowanie i uruchomienie na Czerwonej Planecie fabryk wytwarzających i wprowadzających do atmosfery najsilniejsze znane człowiekowi gazy cieplarniane - chlorowcowe pochodne węglowodorów, zwane freonami, powszechnie obarczane winą za groźne narastanie efektu cieplarnianego na Ziemi oraz kurczenie się warstwy ozonowej. Jednak stosowanie odpowiednich, starannie wybranych i nie zawierających chloru freonów pozwoli wytworzyć w marsjańskiej atmosferze ozonową warstwę, osłaniającą planetę przed promieniowaniem nadfioletowym. Dobrym kandydatem jest perfluorometan, CF4, który ponadto ma bardzo długi czas życia w górnych warstwach ziemskiej atmosfery (w niezmienionej postaci pozostaje przez ponad 10 tysięcy lat). Tabela 9.2 podaje ilości freonów konieczne do wywołania określonego wzrostu temperatury na Marsie oraz wielkość energii, zużywanej do wytwa-

TERRAFORMOWANIE MARSA • 347

OGRZANIE MARSJANSKIEGO BIEGUNA ZA POMOCĄ ZWIERCIADEŁ

1000

800 -

600 -

promień zwierciadła [km] masa zwierciadła [kilotony]

400 -

200 -

wzrost temperatury na biegunie [K]

Rys. 9.9. Umieszczone na słonecznych żaglowcach lustra o promieniu rzędu 100 km i masie rzędu 200 tysięcy ton mogą podnieść temperaturę na biegunie o 5 K, co spowoduje wydzielanie się gazowego dwutlenku węgla z południowej czapy polarnej. Niewykluczone, że tego rodzaju lustra będą budowane w przestrzeni kosmicznej.

rzania wybranych freonów przez okres 20 lat. W przypadku gazu, którego czas życia w atmosferze wynosi 100 lat, do podtrzymania gęstości powstałej warstwy freonów trzeba będzie dalej zużywać moc sięgającą jednej piątej wartości podanej w tabeli. Podobne zużycie energii wiąże się z prowadzeniem szeroko zakrojonej działalności przemysłowej, wymagającej pracy na powierzchni Marsa paru tysięcy osób wytwarzających codziennnie cały pociąg wzbogaconego materiału. Konieczne byłoby dostarczanie 5000 MW energii elektrycznej, ilości odpowiadaj ącej współczesnemu zużyciu dużego amerykańskiego miasta wielkości Chicago. Program wymagałby funduszy idących w setki miliardów dolarów, biorąc jednak pod uwagę wszystkie czynniki, widzimy, że w połowie XXI wieku podobna operacja powinna być zupełnie realna.

348 • CZAS MARSA Metody biologiczne

Wysiłek wiążący się terraformowaniem Marsa zostanie istotnie ograniczony, jeżeli skorzystamy ze wsparcia biologicznych pomocników. Twórcą biologicznego podejścia do terraformowa-nia jest Carl Sagan, zajmujący się tym problemem od lat sześćdziesiątych, gdy zasugerował, że planeta Wenus mogłaby nieco bardziej nadawać się do zamieszkania, gdyby udało się złagodzić tamtejszy, istnie piekielny efekt cieplarniany poprzez wprowadzenie do atmosfery gatunków glonów „pożerających" dwutlenek węgla.5 Pomysł ten najprawdopodobniej nigdy nie doczeka się realizacji. Późniejsze badania dotyczące terraformowania Marsa, prowadzone przez Carla Sagana i jego współpracownika Jamesa Pollacka, wykazały, że istnieją gatunki bakterii, których metabolizm mógłby spowodować, że azot i woda przekształcałyby się w amoniak.6 Na Marsie azot, w niewielkich ilościach obecny w atmosferze, występuje również w postaci pokładów azotanów wewnątrz regolitu. Jeszcze inne bakterie potrafią wytwarzać metan z wody i dwutlenku węgla. Wprawdzie amoniak i metan nie dorównują freonom, wywołują jednak efekt cieplarniany z wy-

Tab. 9.2. Ogrzewanie Marsa za pomocą freonów.

SZTUCZNIE WYWOŁANY WZROST TEMPERATURY (W KELWINACH) CIŚNIENIE FREONÓW (W MIKROBARACH) WIELKOŚĆ PRODUKCJI FREONÓW (W TONACH NA GODZINĘ) ZUŻYCIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ (W MW)

5 0,012 260 1 310

10 0,04 880 4490

20 0,11 2410 12070

30 0,22 4830 24 150

40 0,80 17570 87850

5 C. Sagan: The Planet Yenus, „Science", 133 (1961), s. 849-858.

6 J. Pollack, C. Sagan: Planetary Engineering. [W:] J. Lewis, M. Mathews, M. Gu-erreri (red.): Resources of Near-Earth Space, University of Arizona Press, Tuscon 1993.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 349

dajnością tysiące razy wyższą (porównując ilość cząsteczek) niż dwutlenek węgla. Po zapoczątkowaniu - wskutek użycia luster ogrzewających czapy polarne lub produkcji freonów - efektu cieplarnianego, powodującego pojawienie się ciekłej wody, być może uda się stworzyć na powierzchni planety bakteryjne ekosystemy, które, wytwarzając duże ilości amoniaku i metanu, bardzo przyczyniłyby się do zwiększenia tempa procesu terrafor-mowania. Konsekwencją pokrycia 1% powierzchni Marsa odpowiednimi bakteriami (zakładając wydajność przekształcania energii światła słonecznego w energię wiązań chemicznych na poziomie 0,1%) byłoby wprowadzanie do atmosfery około miliarda ton metanu i amoniaku rocznie. W ciągu trzydziestu lat gazy te ogrzałyby planetę o 10 K.

Przy okazji amoniak i metan będą chronić marsjańską powierzchnię przed słonecznym promieniowaniem nadfioletowym. Podczas tego procesu cząsteczki metanu i amoniaku - których średni czas życia w atmosferze wynosi kilkadziesiąt lat - będą stale niszczone, jednak nieprzerwanie trwać będzie także ich produkcja przez bakterie. Poza tym ocieplenie klimatu i wydzielanie się gazowego dwutlenku węgla z regolitu prowadzić będą do pogrubienia warstwy ozonowej, chroniącej przed promieniowaniem nadfioletowym powierzchnię planety, jak również niższą warstwę gazów cieplarnianych, metanu i amoniaku. (Do powstawania ozonu przyczynia się dwutlenek węgla. Obecnie Mars ma warstwę ozonu grubości 1/60 ziemskiej warstwy, całkiem nieźle, wziąwszy pod uwagę, że grubość marsjańskiej atmosfery wynosi 1/120 grubości atmosfery ziemskiej).

Przy stosowaniu łącznie przedstawionych metod, w ciągu kilkudziesięciu lat będzie możliwa zmiana suchej i mroźnej Czerwonej Planety w miejsce stosunkowo ciepłe i wilgotne, pozwalające na podtrzymywanie życia. Wprawdzie na terraformo-wanym Marsie ludzie nie mogliby oddychać atmosferą, odpadłaby jednak konieczność poruszania się w skafandrach kosmicznych. Podróże po powierzchni planety można by odbywać w normalnych ubraniach, zakładając jedynie prosty aparat do oddychania typu akwalung. Zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne wzrośnie do poziomu tolerowanego przez ludzi, umożli-

350 • CZAS MARSA

wiając zorganizowanie ogromnych, osłoniętych wielkimi kopułami, przestrzeni mieszkalnych, wypełnionych powietrzem nadającym się do oddychania. (Kopuły będą mogły osiągać bardzo duże rozmiary, gdyż zniknie różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem kopuły a środowiskiem zewnętrznym, która na etapie budowy bazy powodowała szereg ograniczeń konstrukcyjnych). W marsjańskim środowisku, obfitującym w dwutlenek węgla, zimnotrwałe gatunki roślin zaczną stopniowo pokrywać kolejne obszary planety. Po kilkuset latach wyprodukowany przez nie tlen osiągnie w atmosferze stężenie pozwalające oddychać, udostępniając w ten sposób powierzchnię Marsa wyżej rozwiniętym roślinom i coraz liczniejszym zwierzętom. Jednocześnie spadnie zawartość dwutlenku węgla, co spowoduje ochłodzenie klimatu. Można temu zapobiec, wprowadzając do atmosfery gazy cieplarniane tak dobrane, by zatrzymywały promieniowanie podczerwone o częstościach dotąd blokowanych w atmosferze przez dwutlenek węgla. Należycie kontynuowany proces ocieplania marsjańskiego klimatu z pewnością doprowadzi do sytuacji, gdy na powierzchni Czerwonej Planety przestaną być potrzebne kopuły osłaniające konstrukcje mieszkalne.

Ożywienie hydrosfery

Początki terraformowania Marsa - ocieplenie planety i pogrubienie atmosfery - wiążą się z użyciem zaskakująco prostych metod: miejscowej produkcji chlorowcowych pochodnych węglowodorów (freonów), wspomaganej przez pożyteczne bakterie. Otrzymane w wyniku tych procesów atmosferyczne zawartości tlenu i azotu byłyby jednak zbyt niskie dla wielu gatunków roślin, a Czerwona Planeta pozostałaby miejscem stosunkowo suchym, gdyż topnienie marsjańskich lodów i zmarzliny z głębokich warstw gleby trwałoby setki lat. Podczas drugiego etapu terraformowania uaktywniona zostanie hydrosfera Marsa, skład atmosfery zacznie nadawać się do oddychania dla wyżej rozwiniętych roślin i prymitywnych zwierząt. Postępujący wzrost temperatury przyda znaczenia wytwa-

TERRAFORMOWANIE MARSA • 351

rzaniu w przestrzeni kosmicznej dużych zwierciadeł skupiających promienie słoneczne.

Niewykluczone, że w wyniku stosowania orbitalnych luster bardzo prędko dojdzie do ożywienia hydrosfery. Omawiane wcześniej zwierciadło o promieniu 125 km, przeznaczone pierwotnie do pobudzenia wydzielania się gazów z czap polarnych, można użyć na przykład do ogrzania znacznie mniejszych obszarów, uzyskując moc 27 TW (terawatów; jeden terawat jest równy milionowi megawatów). Dysponując taką mocą, ludzie będą mogli tworzyć jeziora zasilane topniejącym lodem: 27 TW wystarczy, by stopić 3 biliony ton lodu rocznie (ilość mieszcząca się wewnątrz jeziora o długości 200 km i głębokości 75 m). Pojedyncze zwierciadło pozwoli szybko wydobywać z gleby duże ilości uwięzionej w postaci wiecznej zmarzliny wody i kierować je do nowo powstałych marsjańskich ekosystemów. W miarę jak ciekła woda coraz szybciej i obficiej będzie krążyć w środowisku, nabiorą tempa procesy rozkładania pokładów azotanów w wyniku działania bakterii denitryfikacyjnych oraz rozprzestrzeniania się roślin po powierzchni planety. W konsekwencji wzrośnie atmosferyczna zawartość azotu i tlenu. Skutkiem aktywizacji hydrosfery będzie zniszczenie obecnych w marsjańskim regolicie związków o właściwościach utleniających (dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez Yikingi wiemy, że w obecności wody są one nietrwałe) oraz wprowadzenie do atmosfery kolejnych partii tlenu. Choć technologia budowy kosmicznych luster będzie wymagać aż nazbyt majestatycznych metod, trudno przecenić korzyści dla procesu terraformowania, wynikające z władania mocą dziesiątek terawatów w postaci kontrolowanej wiązki promieni słonecznych.

Nasycanie planety tlenem

Wytworzenie atmosferycznego tlenu w ilościach wystarczających dla rozwoju życia zwierzęcego stanowić będzie najbardziej wymagający pod względem technologicznym aspekt terraformowania Marsa. Bakterie i proste organizmy roślinne prze-

352 • CZAS MARSA

trwają w atmosferze beztlenowej, ale wyżej rozwinięte rośliny potrzebują zawartości atmosferycznego tlenu na poziomie przynajmniej l mbar, ludzie zaś - 120 mbar. Wprawdzie w marsjańskim regolicie występują ponadtlenki i azotany, które po podgrzaniu, teoretycznie, wydzielą do atmosfery tlen i azot w postaci gazowej. Niestety, w tym celu konieczne byłoby dostarczenie niewyobrażalnych ilości energii, sięgających 2200 terawatolat na każdy uzyskany milibar. Podobnych ilości energii potrzebują rośliny, by wytwarzać tlen z dwutlenku węgla, jednak podstawową zaletą roślin jest ich samodzielne rozprzestrzenianie się na planecie. Produkcja tlenu na Marsie dzieli się zatem na dwa etapy. Najpierw trzeba będzie użyć metod siłowych, wspomaganych przez pierwsze cyjanobakterie i inne prymitywne organizmy roślinne, w celu uzyskania minimalnej zawartości tlenu w atmosferze (rzędu l mbar), umożliwiającej przyjęcie i rozprzestrzenienie się na powierzchni Marsa wyżej rozwiniętych gatunków roślin. Dysponując trzema znajdującymi się na orbicie lustrami o promieniach 125 km oraz zakładając występowanie na Marsie dostatecznych ilości odpowiednich substancji, pierwszy etap będzie można zrealizować w ciągu mniej więcej 25 lat. Alternatywne podejście zakłada wykorzystanie fotosyntetyzujących bakterii, które po stu latach wzbogaciłyby atmosferę o l mbar tlenu. W każdym razie, gdy już uda się zgromadzić początkową, minimalną ilość tlenu atmosferycznego, a pogrubiona warstwa dwutlenku węgla wywierać będzie wyższe ciśnienie i ograniczać padające na powierzchnię promieniowanie kosmiczne, oraz gdy po powierzchni planety płynąć będą większe ilości wody, nadejdzie odpowiedni moment, by wprowadzić na Marsa genetycznie zmodyfikowane rośliny. Powinny być przystosowane do przetrwania w warunkach marsjańskiego regolitu oraz przeprowadzania fotosyntezy z wysoką wydajnością; towarzyszyć im będą pozostające z nimi w symbiozie bakterie. Przyjmując, że rośliny te w ciągu kilkudziesięciu lat pokryją całą powierzchnię planety, oraz że - w wyniku modyfikacji kodu genetycznego -będą dokonywać fotosyntezy z wydajnością 1% (jest to wysoka wydajność, lecz spotykana wśród ziemskich roślin), wytworzą

TERRAFORMOWANIE MARSA • 353

tlen w ilościach odpowiadających źródłu mocy 200 TW. Metody biologiczne - łącznie z wykorzystaniem 90 TW mocy kosmicznych zwierciadeł oraz systemem energetycznym, znajdującym się w ludzkich bazach na powierzchni Marsa, dostarczającym 10 TW (obecnie ludzkość wytwarza na Ziemi w przybliżeniu 13 TW) pozwolą w ciągu 900 lat uzyskać zasoby tlenu atmosferycznego o ciśnieniu 120 mbar, wystarczającym, by ludzie oraz wyżej rozwinięte zwierzęta mogły przetrwać w otwartej przestrzeni. Istotne skrócenie tego okresu może być konsekwencją budowy jeszcze potężniejszych elektrowni, uzyskania roślin wydajniej fotosyntetyzujących (lub nawet prawdziwych maszyn fotosyntetyzujących, zdolnych do samodzielnego namnażania). Sądzę, że perspektywa przyspieszenia procesu nasycania tlenem marsjańskiej atmosfery będzie stanowić czynnik wywierający bardzo silną presję na opracowanie potrzebnych technologii. Zaznaczam, że również wykorzystywana na większą skalę technologia kontrolowanej syntezy termojądrowej może przyspieszyć proces terraformowania, a jednocześnie ułatwić załogowy transport międzyplanetarny. Gdyby terraformowanie Marsa zaowocowało równie przydatnymi efektami ubocznymi, może się okazać, że realizacja programu przekształcania Czerwonej Planety otwiera przed ludzkością całe miriady światów nadających się do zamieszkania.

Dar dla przyszłości

A świadczy o tym świat nowo stworzony, Drugie niebiosa, bliskie bram niebieskich, Na czystym morzu z kryształu wzniesione, Którego obszar jest niemal bezmierny, A gwiazdy liczne i każda być może Mieszkaniem czyimś; [ ... ]

John Milton, Raj utracony

(przekład Macieja Słomczyńskiego)

Wyniki teoretycznych wyliczeń nie pozostawiają wątpliwości co do wykonalności projektu terraformowania Marsa. Urze-

354 • CZAS MARSA

czywistnienie marzeń o przekształceniu Czerwonej Planety wymaga jednak ludzkiej obecności, pozwalającej zbadać Marsa i poznać metody eksploatacji miejscowych zasobów. Z pewnością gra warta jest świeczki - zwłaszcza że stawką jest cały świat.

W pewnym sensie rozważania o terraformowaniu Marsa prowadzą nas do punktu wyjścia. Czy należymy do najwyższej klasy bytów zamieszkujących Wszechświat, czy też nasza pozycja jest niższa? Kepler dowiódł, że prawa rządzące kosmosem mogą zostać zrozumiane przez ludzki umysł. Wysłanie na Marsa pierwszych astronautów świadczyć będzie o osiągalno-ści pozaziemskich światów. Gdyby jednak udało się terrafor-mować Czerwoną Planetę, znaczyłoby to, że światy w kosmosie poddają się działaniu rozumnej ludzkiej woli.

Mars ma szansę stać się drugim domem nie tylko dla człowieka i „ryb morskich, ptactwa powietrznego, bydła i wszystkich zwierząt pełzających po ziemi"7, lecz także dla wielu wciąż nie narodzonych gatunków. Nowy świat przyczynia się do powstawania nowych form życia, dlatego na zmienionych obszarach terraformowanego Marsa przywiezione z Ziemi życie zacznie ewoluować i rozmnażać się, tworząc nowe gatunki, nieznane i różnorodne.

Terraformowanie Marsa stanowi cudowne dziedzictwo dla przyszłych pokoleń - nie tylko nowy świat dla rozwoju życia i cywilizacji, lecz także przykład, co potrafią osiągnąć ludzie obdarzeni rozumem i odwagą, gdy kierują się porywającą wizją i wyznawanymi ideałami. Ludzie nigdy nie staną się bogami. Jeżeli jednak gatunek ludzki potrafi terraformować Marsa, oznaczać to będzie, że ludzie przewyższają zwierzęta i że noszą w sobie wyjątkową, zasługującą na szacunek boską iskrę. Wszyscy będziemy dumni, przyglądając się przekształconemu Marsowi. Historia terraformowania zainspiruje do podejmowania podobnych wyzwań i realizacji kolejnych zadań wiodących ludzkość ku gwiazdom.

7 Nawiązanie do cytatu z Księgi Rodzaju, Rdz 26 (przyp. red.)-

TERRAFORMOWANIE MARSA • 355

RÓWNANIA MODELU UKŁADU MARSA

Równanie (1) pozwala oszacować średnią temperaturę na Marsie jako funkcję ciśnienia atmosferycznego CO2 i stałej słonecznej:

sr = 213,5(S025) + 20(1+S)P°'5,

gdzie Tśr jest średnią temperaturą na planecie, wyrażoną w kel-winach, S strumieniem promieniowania słonecznego, przy czym przyjmujemy, że obecnie S = l, natomiast P to ciśnienie atmosferyczne na Marsie na średniej wysokości powierzchni planety, wyrażone w barach. (Dla mieszkańców równin zwykłe ciśnienie atmosferyczne wynosi l bar, co odpowiada 1000 hPa lub 14,7 funta na cal kwadratowy. Tak dziwna jednostka została przyjęta za normę z powodu wpływów, posiadanych przez ludzi, którzy żyli w pobliżu cuchnących bagien w okolicy najważniejszych stolic świata - Waszyngtonu, Londynu i Paryża).

Ponieważ atmosfera jest efektywnym środkiem transportu ciepła między biegunami a obszarami podzwrotnikowymi, przyjęliśmy z Chrisem McKayem następujące równanie:

(2)

Biorąc przybliżone wartości danych obserwacyjnych, można założyć, że

T = T = l 1T

max *• równik ' sr

(3)

oraz że globalny rozkład temperatury jest opisywany następującym równaniem:

- (Tmax - Tbiegun)

(4)

gdzie 0 jest szerokością areograficzną (północną lub południową).

356 • CZAS MARSA

Równania (l)-(4) przedstawiają temperaturę panującą na Marsie w funkcji ciśnienia dwutlenku węgla. Jak już jednak wspomnieliśmy, na Marsie ciśnienie dwutlenku węgla samo jest funkcją temperatury. Czerwona Planeta ma zasoby dwutlenku węgla trojakiego rodzaju: atmosferyczny dwutlenek węgla, czapy polarne, zawierające zamarznięty dwutlenek węgla, oraz dwutlenek węgla adsorbowany przez regolit. Oddziaływanie atmosferycznego dwutlenku węgla z zasobami w okolicach biegunowych jest należycie wyjaśnione: określone przez zależność prężności pary nasyconej dwutlenku węgla i temperatury na biegunach. Wartość tę otrzymujemy dzięki znajomości krzywej prężności pary dwutlenku węgla, która ma w przybliżeniu następującą postać:

P = 1,23 X 107 e-3170/Tbiegun.

(5)

Dopóki dwutlenek węgla jest obecny i w atmosferze, i w czapach polarnych, równanie (5) dokładnie określa, jak ciśnienie atmosferyczne dwutlenku węgla zależy od temperatury na biegunach. Gdy jednak wzrost temperatury na biegunach osiągnie punkt, w którym prężność pary znacznie przewyższa wartość uzyskaną dzięki masie zasobów w okolicy biegunów (pomiędzy 50 a 100 mbar), czapy polarne znikną, a atmosfera zacznie podlegać prawom rządzącym zasobami dwutlenku węgla w regolicie.

Szczegółowa postać zależności między zasobami wewnątrz re-golitu, atmosferą i temperaturą pozostaje nie znana. McKay8 zaproponował następującą funkcję:

= [CMaeT/Td]3-64,

(6)

gdzie Ma to ilość gazu adsorbowanego przez regolit w milibarach, C jest stałą o wartości dopasowanej tak, by równanie (6) opisy -

8 C. McKay, J. Kastings i O. Toon: Making Mars Habitable, „Naturę" 352 (1991), s. 489-496.

TERRAFORMOWANIE MARSA • 357

wało panujące na Marsie warunki, a Td - charakterystycznym przyrostem temperatury, koniecznym do rozpoczęcia wydzielania gazów z regolitu (temperaturą desorpcji). Zasadniczo równanie (6) stanowi wariant dobrze znanego prawa, opisującego zmianę położenia równowagi chemicznej w funkcji temperatury; dlatego możemy śmiało uważać, że ogólna postać równania jest poprawna. Z kolei wartość Td nie jest znana i z pewnością taką pozostanie do czasu pierwszych załogowych wypraw na Marsa. Skoro nie znamy wartości Td, przeanalizujemy zagadnienie, zmieniając Td w przedziale 15-40 K (im niższa wartość Td, tym łatwiejsze będzie terraformowanie). Następnie wykorzystujemy globalny rozkład temperatury, opisywany równaniem (4), do scałkowania równania (6) po całej powierzchni planety - w rezultacie uzyskujemy globalną wartość „ciśnienia regolitu". Otrzymujemy całkiem niezłe przybliżenie ąuasi-dwuwymiarowego problemu równowagi układu atmosfera/regolit, gdzie większość adsorbowanego dwutlenku węgla koncentruje się na zimniejszych obszarach planety. Z tego powodu w naszym modelu lokalne (w sensie szerokości areograficznej) zmiany temperatury, zwłaszcza na obszarach okołobiegunowych, mogą - jako zmiany średniej temperatury na planecie - istotnie zaważyć na oddziaływaniu układu atmosfera/regolit.

Wyniki otrzymane dzięki temu modelowi, przedstawione graficznie na rysunkach w niniejszym rozdziale, pozwalają sądzić, że terraformowanie Marsa jest wykonalne.

ROZDZIAŁ 10

WIDOK Z ZIEMI

Bez pieniędzy nie będzie występów

AUTOR NIEZNANY

Poprzednie rozdziały traktowały o możliwościach technologicznych oraz perspektywach otwierających się w wyniku załogowych lotów na Marsa. Czas jednak powrócić na Ziemię. Najpoważniejszą przeszkodą na drodze ku ludzkiemu poznaniu Marsa nie są techniczne szczegóły projektu misji ani ograniczenia związane z lotem i długimi dniami poświęconymi na odkrywanie planety. Największa przeszkoda nie ma nic wspólnego z Marsem. Podstawowa trudność wiąże się z naszą macierzystą planetą, kryje się pod płaszczykiem ziemskiej polityki. W jaki sposób zdobyć pieniądze na realizację programu?

Spotykamy się z przekonaniem o niewykonalności marsjań-skiej misji. Jego zwolennicy powołują się na przykład Inicjatywy Badań Kosmicznych (SEI), zgłoszonej przez prezydenta George'a Busha, i przedstawiają jako dowód, że amerykański system polityczny nie udzieli poparcia programowi wysłania ludzi na Marsa. Niemniej wyraźnie widać luki i błędy w rozumowaniu uzasadniającym ów „dowód": opiera się ono na założeniu, że skoro coś miało kiedyś miejsce, odtąd już zawsze musi się przydarzać. Ich zdaniem prezydent Bush starał się pójść w ślady J. F. Kennedy'ego, któremu udało się doprowadzić do sukcesu misji Apollo i lądowania na Księżycu, jednak na początku lat dziewięćdziesiątych sytuacja była odmienna

CZAS MARSA • 359

i nikt się nie poderwał na dźwięk rogu. Ponieważ Inicjatywa Badań Kosmicznych padła, oznacza to, że musiała paść, stąd i wszystkie przyszłe podobne inicjatywy są skazane na niepowodzenie. Czego należało dowieść.

Cały powyższy wywód roi się od błędów. Nieprawda, że prezydent Bush działał na rzecz SEI tak jak J. F. Kennedy działał na rzecz misji Apollo. Sytuacja bardziej przypomina postępowanie prezydenta Busha w stosunku do Kurdów, gdy ogłosił, że nadeszła godzina, uderzył w dzwon i opuścił pole bitwy. Dwayne Day z Instytutu Polityki Kosmicznej tak ocenia sytuację: „Bush był rzecznikiem badań kosmicznych w identycznym stopniu, jak »prezydentem środowiska naturalnego« lub »prezydentem dbającym o szkolnictwo« - czyli bez przekonania i wyłącznie dla pozorów". Oczywiście, dodatkowo zaszkodził sprawie Raport 90-dniowy, oceniający koszty SEI na 450 miliardów i przedstawiający harmonogram działania rozłożony na 30 lat. Problem leży jednak nie w samym Raporcie 90-dniowym; sednem sprawy są politycy, gotowi tolerować błędy w nim zawarte.

Pragnę dokładnie wyjaśnić, co mam na myśli. W czerwcu 1990 roku, gdy Raport 90-dniowy znajdował się w początkowej fazie upadku, uczestniczyłem w dużej, sponsorowanej przez NASA konferencji, poświęconej napędowi rakietowemu i inicjatywie SEI, która odbywała się na Uniwersytecie Stanu Pensylwania. Zwracając się do plenarnego posiedzenia uczestników konferencji, kongresman Robert Walker (z partii republikańskiej, reprezentujący Pensylwanię) otwarcie przedstawił obecnym przedstawicielom przemysłu lotniczego i kosmicznego powód, dla którego inicjatywa SEI nie zyskała poparcia oraz funduszy w Kongresie: mianowicie grupa najwyższych szefów NASA - wówczas pod kierownictwem administratora Richarda Truly'ego - poinformowała Kongres, że jeśli NASA otrzyma odpowiednie fundusze na kontynuację programów promu kosmicznego i stacji kosmicznej, to nie będą przejmować się wynikiem głosowania w sprawie SEI. Innymi słowy, kierownictwo NASA nie raczyło próbować przekonać Kongres do programu, który przez prezydenta Busha został uznany za

360 • CZAS MARSA

priorytetowy. Często wyrażano opinię, że to prawdziwy sabotaż oraz że Richard Truły powinien wylecieć ze stanowiska. Mark Albrecht i Pete Worden, stojący wówczas na czele amerykańskiej Narodowej Rady Badań Kosmicznych, starali się zmienić powstałą sytuację, jednak z powodu prezydenckiej apatii upłynęły całe dwa lata, zanim Truły odszedł, a do tego czasu inicjatywa SEI zdążyła upaść.

Brak zaangażowania ze strony prezydenta Busha oraz sprzeciw kierownictwa NASA sprawiły, że Inicjatywa Badań Kosmicznych stała się sierotą, którą popierali jedynie pracownicy Narodowej Rady Badań Kosmicznych i paru sprzyjających jej kongresmanów. Pozbawieni siły przebicia, zmuszeni byli podstępnie uzyskiwać w Kongresie niewielkie dotacje na SEI. Gdy polityczni oponenci rządzącej administracji zauważyli tę słabość, rzucili się, by wykorzystać sytuację do upokorzenia prezydenta Busha i Dana Quayle'a, przewodniczącego Rady Badań Kosmicznych. Kevin Kelly, doradca senator Barbary Mikulski (z partii demokratycznej, reprezentującej Maryland). kierował masakrą, starając się systematycznie doprowadzić do zablokowania wszelkich dotacji dla NASA, nawet zupełnie nie związanych z inicjatywą SEI.

Gdy w 1992 roku dyrektorem NASA został Dań Goldin, jedynym sposobem na ocalenie programów badawczych dotyczących załogowej misji na Marsa było zerwanie ich powiązań z SEI, oraz - po roku prób ratowania inicjatywy - ostateczna rezygnacja.

Porównując Napoleona Bonaparte, genialnego stratega wojennego i politycznego, z jego ciotecznym wnukiem, Napoleonem III, Karol Marks skonstatował: „Wydarzenia historyczne zawsze powtarzają się dwa razy: najpierw jako tragedia, a później jako farsa". Uwaga ta stosuje się również w przypadku prezydentów Kennedy'ego i Busha. Podobno, gdy armia Napoleona III ginęła pod Sedanem, cesarz spędzał czas grając w bilard. W pewnym sensie prezydent Bush przegrał batalię o Marsa w Kennebunkport, gdzie pływał żaglówką. Niepowodzenie SEI potwierdza, że armię, której generałowie grają w bilard podczas bitew, czeka zawsze klęska.

WIDOK Z ZIEMI • 361

W Ameryce istnieje duże, choć nie ujawnione poparcie dla programu załogowych misji na Marsa. Wiem to z pierwszej ręki, gdyż spotykałem zwolenników programu, przemawiając na spotkaniach najrozmaitszych organizacji społecznych nie posiadających żadnych interesów związanych z badaniami Marsa, od klubów rotariańskich po związki hydraulików. Najczęściej powracało następujące pytanie: „Co się stało, że nie realizujemy tego programu?" Wielekroć słyszałem od słuchaczy: „Pamiętam loty Apollo. Czy nie planowano następnie wysłania ludzi na Marsa? Dlaczego zarzucono kontynuację programu? Moim zdaniem Ameryka powinna rozwijać badania kosmiczne".

Bez przerwy spotykam się z podobnymi opiniami. Podstawowe zastrzeżenie pod adresem programu kosmicznego ze strony opinii publicznej nie dotyczy zbyt wysokich kosztów; przede wszystkim niepokój budzi brak wskazanego kierunku rozwoju. Ludzie czują się oszukani - nie przez NASA, lecz przez polityków. Zrezygnowano z przyszłościowych badań, rozpoczętych w latach sześćdziesiątych. Co się stało? Dlaczego zatrzymaliśmy się w miejscu? Moje bezpośrednie doświadczenie podważa podsuwane politykom opinie, że ludzie w sercu kraju nie przejmują się zdobywaniem kosmosu.

Moje zapewnienia mogą się wydawać mało przekonujące jako oparte na wyrywkowych kontaktach, ale jest wiele poważnych badań opinii publicznej. Sondaż, zamówiony przez „Newsweeka" w związku z publikacją artykułu o projekcie Mars Direct, wykazał, że ponad połowa ankietowanych popiera program załogowych misji na Marsa.

Podobne były wyniki sondażu przeprowadzonego przez CBS News w zbliżonym czasie (lato 1994 roku): większość badanych opowiada się za wysłaniem ludzi na Marsa. Według ankiety ABC News i „Washington Post" z początków 1996 roku zdaniem większości Amerykanów korzyści osiągnięte dzięki programowi kosmicznemu uzasadniają poniesione koszty.

Dysponujemy także danymi statystycznymi innego rodzaju. Od wielu lat Jon D. Miller z Akademii Nauk w Chicago bada stopień zrozumienia nauki i techniki w społeczeństwie amerykan-

362 • CZAS MARSA

skim.1 Jego analizy obejmują część populacji, określaną jako „uważna" w stosunku do różnych kwestii naukowych i technicznych. Członkowie grupy „uważnych" interesują się pewnymi zagadnieniami, uważają się za dobrze poinformowanych i regularnie śledzą odpowiednie gazety lub czasopisma. Orientują się w swojej dziedzinie na tyle dobrze, by podjąć dyskusję z politykiem. Inaczej mówiąc, grupa „uważna" w stosunku do danej kwestii to część społeczeństwa skłonna popierać lub kwestionować rozwiązania jej dotyczące. „Zainteresowana" - zgodnie z klasyfikacją Millera - daną sprawą część populacji nie posiada wystarczających informacji, przynajmniej we własnej opinii. Dane zebrane przez Millera w 1992 roku świadczą, że w stosunku do badań kosmosu „uważne" jest 6% amerykańskiego społeczeństwa, a dalsze 16% jest kwestią „zainteresowane". Z badań Millera wynika, że zdaniem większości spośród tych 22% osiągnięcia programu kosmicznego przewyższają jego koszty. Wprawdzie 22% to wciąż mniejszość, jednak Miller stwierdził, że grupa „uważnych" składa się z osób najlepiej wykształconych w zakresie nauk ścisłych, oraz - w porównaniu z wieloma badanymi grupami amerykańskiego społeczeństwa - należy do ścisłej czołówki pod względem ogólnego wykształcenia.

Opisana przez Millera „uważna" część populacji w dużym stopniu pokrywa się z grupą osób zajmujących się nauką oraz techniką, a w Ameryce nie jest to mała grupa. Stanowiąca 6% społeczeństwa grupa „uważnych" w stosunku do badań kosmicznych liczy prawie 11 milionów dorosłych obywateli, natomiast „zainteresowanych" jest prawie 30 milionów. Razem daje to ponad 40 milionów potencjalnych wyborców.

Uważam, że gdyby w Ameryce pojawił się prawdziwy przywódca (taki jak J. F. Kennedy), wzywający do wysłania ludzi na Marsa, gotów walczyć o realizację programu i zdobywać dla niego poparcie, szybko stanąłby na czele wpływowego ruchu politycznego, podobnie jak Kennedy w latach sześćdziesiątych. Proponowany program zdobycia Marsa musi być wykonalny

1 J. Miller: The Information Needs of the Public Concerning Space Exploratwn, raport specjalny dla NASA, 1994.

WIDOK Z ZIEMI • 363

pod względem technicznym i politycznym. Szacunkowe koszty w wysokości 450 miliardów dolarów oraz trzydziestoletni harmonogram stawiają każdy program pod wielkim znakiem zapytania, lecz przyjęcie projektu Mars Direct oznacza obniżenie kosztów i krótszy czas realizacji.

Występują przynajmniej trzy drogi prowadzące do wysłania ludzi na Marsa. Nazwałem je odpowiednio modelami J. F. Ken-nedy'ego, Carla Sagana i Newta Gingricha. Każdy ma swoje plusy i minusy. Omówimy je teraz po kolei.

Model J.F.K.

Pierwsze podejście do programu wysłania ludzi na Marsa, najstarsze i najbardziej zrozumiałe, nazwałem modelem J.F.K. Model J.F.K. cieszy się powszechnym zrozumieniem, gdyż jako jedyny już się sprawdził - w ten sposób wysłaliśmy ludzi na Księżyc. W modelu J.F.K. amerykański prezydent zwraca się do narodu i wzywa do podjęcia wyzwania przyszłości. Czytając ponownie przemówienia Johna F. Kennedy'ego, dotyczące misji Apollo, odczuwam wielkość, której nie dorównuje żaden dwudziestowieczny mówca, z wyjątkiem może Winstona Churchilla.

„Zdecydowaliśmy się polecieć na Księżyc! - w głosie Kenne-dy'ego słychać przeznaczenie - Zdecydowaliśmy się w ciągu nadchodzących dziesięciu lat polecieć na Księżyc i dokonać innych rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale właśnie dlatego, że są trudne, a przez to zmuszą nas do lepszej organizacji i wykorzystania naszych umiejętności. Jesteśmy gotowi sprostać temu wyzwaniu, nie chcemy odkładać tego na później i zamierzamy odnieść zwycięstwo". Kennedy podkreśla wizjonerski charakter przedsięwzięcia wysłania wyprawy na Księżyc. Chociaż misja Apollo zaowocuje nowymi miejscami pracy i nowymi technologiami, prezydent oznajmia, że proponowany program to „[...] akt wiary, pewna wizja, gdyż na razie nie wiemy, jakie korzyści osiągniemy, realizując ów cel". Słysząc takie słowa, czujemy powiew historii.

364 • CZAS MARSA

Program Apollo J. F. Kennedy'ego nie tylko doprowadził do lądowania ludzi na Księżycu - wyznaczył również paradygmat realizacji programów kosmicznych, pod względem zarówno politycznym, jak i technologicznym. Program może zostać uwieńczony sukcesem pod warunkiem silnego, wyraźnego i opierającego się na pewnej wizji poparcia ze strony prezydenta. Kennedy nie starał się podstępnie przepychać programu Apollo krętą drogą zdobywania sympatii u polityków. Ogłosił swoje plany podczas specjalnej sesji połączonych izb Kongresu. Ponadto program był bardzo amerykański: idealnie się nadawał, by w samym środku zimnej wojny, na oczach całego świata, napiąć polityczne, społeczne i naukowe muskuły. Lot na Księżyc, bezpieczne lądowanie i powrót astronautów dorównuje zdobyciu Olimpu i skosztowaniu boskiego nektaru. Poza tym występowała kwestia pieniędzy. Kennedy wprost przedstawił koszty i wraz z Lyndonem Johnsonem, swą polityczną prawicą, zrobił wszystko, co trzeba, by zapewnić potrzebne fundusze - a nawet więcej.

Czy w stosunku do załogowych misji marsjańskich można powtórzyć podejście J.F.K.? Chociaż cele polityki zagranicznej związane z okresem zimnej wody straciły znaczenie, pomyślna realizacja programu zbadania Marsa przez ludzi wywarłaby ogromny wpływ na cały świat. Pierwszy naród, który wyśle ludzi na Marsa, niewątpliwie zapisze się na kartach historii i zapoczątkuje nowy etap w dziejach ludzkości. Cały świat, w tym wszyscy obywatele Stanów Zjednoczonych, przekonaliby się, że Ameryka wciąż „wie, o co chodzi" i nie uznaje żadnych ograniczeń. Czy warto w związku z tym wydać 50 miliardów dolarów? Z pewnością, nawet gdyby kosztowało to znacznie więcej.

Słuchając pewnych osób, odnosi się wrażenie, że kosztujący 50 miliardów dolarów program kosmiczny oznacza wysłanie na Słońce rakiety wiozącej 50 miliardów dolarów w banknotach o wysokich nominałach - krótko mówiąc, wyrzucenie dużych pieniędzy w błoto. W rzeczywistości fundusze przeznaczone na załogowe misje na Marsa nie opuszczają Ziemi: idą na pensje inżynierów, fundusze badawcze dla naukowców, zarób-

WIDOK Z ZIEMI • 365

ki robotników, stypendia dla doktorantów; a także pokrywają koszty wynalazków i innowacji, które wejdą w skład amerykańskiego dziedzictwa intelektualnego i przyczynią się być może w przyszłości do powstania na Ziemi nowych gałęzi gospodarki lub nowych produktów; ponadto są wydawane na budowę całego sprzętu, potrzebnego podczas misji, od najprostszych nitów po najbardziej zaawansowane technologicznie układy elektroniczne.

Dodatkową korzyścią będzie danie każdemu młodemu człowiekowi szansy uczestnictwa w wielkiej przygodzie odkrywania Marsa oraz pobudzenie rozwoju intelektualnego - a właśnie siła naszych umysłów stanowi podstawę przyszłego bogactwa narodu.

Ograniczenie wydatków na badania kosmiczne po zakończeniu misji Apollo poprzedziło ogólne spowolnienie amerykańskiej gospodarki, trwające w jakiejś mierze do dziś. W latach sześćdziesiątych wydatki NASA wynosiły średnio 2,5% budżetu federalnego Stanów Zjednoczonych, a w 1964 roku osiągnęły rekordowy poziom 4%. Towarzyszył temu wzrost produktu krajowego brutto USA (liczony w dolarach o stałej wartości) w wysokości średnio 4,6% rocznie. Na początku lat siedemdziesiątych fundusze przekazywane NASA spadły poniżej 1% budżetu federalnego i do tej pory pozostają na tym poziomie: jednocześnie roczne tempo wzrostu produktu krajowego brutto spadło poniżej 2%.

Model J.F.K. okazał się podwójnym sukcesem: po pierwsze, pozwolił spełnić ludzkie marzenia o dostaniu się na Księżyc oraz, po drugie, doprowadził do największego w powojennej historii USA wzrostu gospodarczego. Obecnie należałoby jednak postawić pytanie: czy podczas organizacji załogowych misji na Marsa należy akcentować narodowy charakter przedsięwzięcia, czy raczej postawić na współpracę międzynarodową? Nacjonalistyczne pragnienie udowodnienia przewagi Ameryki nie odpowiada dzisiejszym czasom. Tak dochodzimy do drugiego modelu, który nazwałem modelem Sagana, gdyż Carl Sagan był jego najlepszym, najbardziej elokwentnym i najgłośniejszym rzecznikiem.

366 • CZAS MARSA

Model Sagana

Carl Sagan należał do grona najbardziej zdecydowanych i znanych zwolenników międzynarodowego podejścia do realizacji załogowych wypraw na Marsa; zabierał głos na ten temat od ponad dziesięciu lat. Z początku koncentrował się na znaczeniu współpracy USA i ZSRR przy organizacji misji marsjań-skich, widząc w połączonym, amerykańsko-radzieckim programie badań Marsa szansę na pogodzenie przeciwników. Zdolności najlepszych naukowców i inżynierów z obu krajów wykorzystane zostałyby do wspólnej pracy nad opracowaniem technologii lotniczych, kosmicznych, elektronicznych i rakietowych, potrzebnych marsjańskiej misji. Ponadto energia naukowców w zwaśnionych państwach zostałaby skierowana w bardziej pożytecznym kierunku niż powiększanie arsenałów broni jądrowej. Mieszana załoga wyprawy na Marsa stanowiłaby swoisty mikrokosmos - odzwierciedlenie macierzystej planety oraz miejsce, w którym mocarstwa działają wspólnie.

Nie tylko Carl Sagan wzywał do międzynarodowej współpracy w dziedzinie badań kosmicznych. Partnerskie programy kosmiczne zalecały prawie wszystkie, liczne „honorowe" komitety, powołane w ciągu minionych dwudziestu lat. Choć ostatnio szybki bieg wydarzeń politycznych zdezaktualizował nieco podstawy tej koncepcji, niekwestionowane pozostają korzyści ekonomiczne, płynące ze współpracy: im więcej wspólników, tym więcej pieniędzy. Wspólnymi siłami kilka państw jest w stanie ponieść wysokie koszty przedsięwzięcia. Bazując na współpracy, Europejska Agencja Kosmiczna z powodzeniem realizuje poważny program badań kosmicznych, w ramach którego stworzyła serię współczesnych rakiet nośnych Ariane. Podział kosztów i wzajemne udostępnianie technologii przynosi wszystkim partnerom ogromne korzyści. USA nie dysponują dzisiaj rakietą nośną o mocy wystarczającej do wysłania wyprawy na Marsa w stylu Mars Direct. Odpowiednią rakietę nośną, zdolną wynieść na niską orbitę okołoziemską (LEO) ładunek 100 ton, ma za to Rosja. Jest to Energia, najpotężniejsza obecnie rakieta na Ziemi. Dotychczas wystartowała zaledwie

WIDOK Z ZIEMI • 367

dwukrotnie, częściowo z powodu braku odpowiednich zadań do wykonania. Dobrze tu pasowałby program wysłania ludzi na Marsa. W bieżącym (podobno ostatecznym) projekcie międzynarodowej stacji kosmicznej wiele rosyjskich modułów wypełnia kluczowe funkcje orbitującego laboratorium.

Międzynarodowa obsada inicjatywy lotów na Marsa przynosi nie tylko korzyści; pojawiają się też pewne problemy. Z definicji uczestniczące w niej państwo traci wyłączną kontrolę nad przedsięwzięciem. Musi zadowolić się najwyżej częściową kontrolą, jednym z wielu głosów podczas podejmowania decyzji, i nie może po prostu narzucić innym własnej koncepcji. Partnerzy Stanów Zjednoczonych w programie budowy stacji kosmicznej , Europejczycy ł Japończycy, musieli wielokrotnie modyfikować projekt w wyniku postanowień amerykańskiego Kongresu, ustępując w związku z dążeniem Kongresu do ograniczenia programu. Podobna sytuacja spotyka teraz NASA, która dowiaduje się, że Rosja, główny partner w programie budowy stacji kosmicznej, ma trudności z wywiązywaniem się z przyjętych zobowiązań. Dwa lata temu Rosjanie wystąpili z propozycją wykorzystania elementów starej stacji Mir w związku z trudnościami w uzyskaniu funduszy na budowę nowych modułów. Niewątpliwie proces podejmowania decyzji jest spowolniony w projektach międzynarodowych, co powoduje wzrost kosztów.

Współpraca podczas realizacji zadań może rodzić rozmaite przeszkody, nie tylko polityczne, ale i techniczne, co na przykład zrobić, jeśli któryś partner nie zdoła opracować pewnej technologii, pomimo podjęcia się takiego zadania? Jak postąpić, gdy główny partner zupełnie zrezygnuje z uczestnictwa? A co w przypadku zmiany stosunków międzynarodowych i konfliktu z państwem współuczestniczącym w projekcie? Podobne sytuacje mogą całkowicie zdestabilizować harmonogram prac, co przy programach równie złożonych, jak Apollo czy stacja kosmiczna, grozi nawarstwieniem problemów, a nawet katastrofalnym niepowodzeniem projektu.

Gdy w latach osiemdziesiątych usłyszałem po raz pierwszy propozycję Sagana wspólnej, amerykańsko-radzieckiej misji

368 • CZAS MARSA

na Marsa, wydała mi się ona niezbyt rozsądna. Stany Zjednoczone tkwiły w środku programu „wojen gwiezdnych" i budowy pocisków rakietowych Pershing, Związek Radziecki toczył wojnę w Afganistanie, a ponadto mocarstwa prowadziły przez pośredników wojny w Salwadorze, Nikaragui i innych miejscach. W latach osiemdziesiątych USA i ZSRR nie potrafiły razem uczestniczyć w sportowych zawodach olimpijskich. Pomysł wspólnej realizacji programu marsjańskiego w nadchodzących latach był dziwaczny. W dodatku, z punktu widzenia doboru załogi, zgłoszona przez Sagana propozycja mieszanego składu była kompletnie chybiona. Zarówno amerykańscy astronauci, jak i radzieccy kosmonauci to grupy byłych pilotów wojskowych, mających za sobą długie lata nauki zabijania przeciwnika oraz uzasadniającej to indoktrynacji. Wprawdzie Carl Sagan utrzymywał, że właśnie wspólna realizacja projektu zbliży do siebie skłócone narody, niemniej moim zdaniem konflikty międzypaństwowe rozsadziłyby współpracę.

Dziś wspólny program kosmiczny miałby odmienne znaczenie - celem nie byłoby zawarcie pokoju z wrogiem, lecz stabilizująca pomoc dla narodu, który stara się być przyjacielem. Współczesna Rosja to przegrane mocarstwo z rozstrojoną gospodarką i niebezpiecznie przybierającym na sile ruchem rewizjonistycznym. W przypadku zdobycia władzy przez nacjonalistów lub ekstremistów arsenał 10 tysięcy głowic rakietowych trafi w nieodpowiednie ręce. Własne interesy USA nakazują pomóc w politycznej i gospodarczej stabilizacji Rosji. Ożywianie rosyjskiej gospodarki pieniędzmi przeznaczonymi na produkcję wyposażenia kosmicznego jest jedną z metod udzielania pomocy. Postępowanie takie wiąże się z odrzuceniem podstawowej zasady współpracy - podziału kosztów, lecz z punktu widzenia amerykańskiego podatnika wciąż jest to opłacalne, skoro wytworzony przez Rosjan sprzęt jest tańszy od materiałów na Zachodzie.

Spotykamy się czasem z opinią, że budowa wspólnej z Rosją infrastruktury kosmicznej okaże się błędem, jeśli udostępnione przez Amerykę technologie zostaną użyte przeciwko niej w razie ewentualnego upadku demokracji. Argument jest nie-

WIDOK Z ZIEMI • 369

trafny, gdyż większość produkowanego w ramach wspólnego programu sprzętu kosmicznego - napęd rakietowy, wykorzystujący ciekłe paliwo, ciężkie rakiety nośne, systemy podtrzymywania funkcji życiowych w przestrzeni kosmicznej - mają raczej niewielkie znaczenie militarne.

W dzisiejszych warunkach politycznych propozycja Sagana - wspólnej, amerykańsko-rosyjskiej realizacji programów kosmicznych - jest słuszna. Podstawowym problemem pojawiającym się w związku ze współpracą jest uzależnienie losów załogowych misji marsjańskich od stabilności sytuacji w Rosji czy innym państwie, niemniej sądzę, że warto spróbować i postarać się utrwalić pokój.

Metoda Gingricha

Trzecie podejście do realizacji programu lotów na Marsa nie było dotąd szerszej dyskutowane, gdyż jest zupełnie nowe. Podejście nazwałem metodą Gingricha, gdyż na pomysł ten wpadłem pod wpływem argumentów, wysuwanych przez lidera republikańskiej większości w Kongresie. Ponadto sposób ten jest zgodny z zasadami głoszonymi przez Gingricha.

Metoda ma następującą historię: latem 1994 roku zostałem zaproszony do uczestnictwa w kolacji z kongresmanem Newtem Gingrichem (z partii republikańskiej, przedstawiciel stanu Georgia) i paroma jego współpracownikami w celu przedstawienia moich koncepcji na temat badań Marsa. Opowiedziałem o propozycji Mars Direct, zakładającej tanie i szybkie wysłanie ludzi na Czerwoną Planetę. Gingrich był zachwycony, powiedział: „Chcę wesprzeć ten plan odpowiednimi rozwiązaniami legislacyjnymi, ale, zamiast zwiększać budżet NASA na badania Marsa, wolałbym metodę realizacji programu, wykorzystującą w jakiś sposób wolną konkurencję". Zostałem przez Gingricha zaproszony do uczestnictwa, wraz z nim, w programie telewizyjnym, podczas którego zaprezentowałem koncepcję Mars Direct. Następnie Gingrich wysłał mnie do Jeffa Eisenacha, swojego głównego waszyng-

370 • CZAS MARSA

tońskiego doradcy i zarazem prezesa Fundacji Postępu i Wolności.

W wyniku paru spotkań z Eisenachem narodził się pomysł ustawy o Nagrodzie Marsjańskiej, zgodnie z którą amerykański rząd ustanowiłby jednorazową nagrodę w wysokości 20 miliardów dolarów dla prywatnej instytucji, organizatora pierwszej uwieńczonej sukcesem załogowej misji marsjańskiej (obejmującej lot na Marsa, pobyt astronautów na powierzchni planety oraz bezpieczny powrót na Ziemię), a także parę nagród po kilka miliardów dolarów dla autorów rozwiązań technologicznych stanowiących milowe kroki na drodze na Marsa.

Niewątpliwie całkowicie nowatorska metoda prowadzenia badań kosmicznych zrywa z dotychczasowym sposobem finansowania z państwowego budżetu. Wiążą się z tym pewne bardzo istotne korzyści. Przede wszystkim metoda Gingricha wyklucza wzrost kosztów, gdyż kwota nagrody zostanie wypłacona dopiero po wykonaniu zadania, dokładnie w zadeklarowanej wysokości, ani dolara więcej. Sukces lub klęska misji zależeć będzie wyłącznie od pomysłowości Amerykanów pracujących w warunkach wolnej konkurencji, a nie od politycznych prze-pychanek. Z ekonomicznego punktu widzenia taktyka Gingricha gwarantuje niskie koszty oraz premiuje mądre projekty. Gdy gra toczyć się będzie o prywatne pieniądze, znalezienie praktycznych, sensownych rozwiązań technicznych okaże się dużo łatwiejsze niż w przypadku nie kończącego się, złożonego roztrząsania problemu przez rządową biurokrację. Być może Czytelnik przypomina sobie, że Charles Lindbergh przeleciał nad Atlantykiem nie w ramach rządowego programu, lecz by zdobyć nagrodę, ustanowioną przez prywatną osobę. We wczesnych latach rozwoju lotnictwa wyznaczono wiele prywatnych nagród za przełomowe osiągnięcia - właśnie te nagrody najbardziej przyczyniły się do postępu w sztuce latania: od niemowlęctwa aż do stworzenia globalnej sieci komunikacji lotniczej.

Metoda Gingricha ma także inne plusy. Nastąpi pobudzenie rozwoju gospodarczego, poprzedzające wydatki rządowe. Ustanowienie nagród w wysokości kilku miliardów dolarów za opracowanie technologii o przełomowym znaczeniu zapocząt-

WIDOK Z ZIEMI • 371

kuje prywatny wyścig kosmiczny, a dodatkowo spowoduje powstanie nowego rodzaju firm przemysłu kosmicznego, koncentrujących się na maksymalnym obniżaniu kosztów produkcji. Dzisiejszy przemysł kosmiczny funkcjonuje na zupełnie innych zasadach: wielkie firmy lotnicze i kosmiczne zawierają z administracją rządową umowy na wykonanie określonych zadań na zasadzie „koszt plus zysk", tzn. ustalają cenę w wysokości 10-15% wyższej od poniesionych wydatków, niezależnie od wielkości kosztów. W rezultacie z punktu widzenia firmy zysk rośnie wraz ze wzrostem kosztów realizacji wyznaczonego zadania. Kolejną konsekwencją stosowanych obecnie zasad jest w takich firmach duża armia osób na najwyższych stanowiskach kierowniczych: zarząd składa się z wielu warstw bezproduktywnych, lecz wysoko ceniących się „kierowników formalnych" (którzy niczym nie kierują), „kierowników marketingu" (którzy wcale nie zajmują się marketingiem) i „planistów" (tworzących bezużyteczne plany), których najwyraźniej jedyną funkcją jest podwyższanie kosztów ogólnych. Oczywiście, rząd musi mieć dowody na to, że przedstawione koszty zostały naprawdę poniesione, stąd przemysł lotniczy i kosmiczny zatrudnia licznych specjalistów od księgowości, by dokładnie rejestrowali czas pracy, poświęcony na wykonanie poszczególnych zamówień. Opisaną, fatalną sytuację ilustruje m.in. następujący fakt: w moim dawnym miejscu pracy, głównym zakładzie produkcyjnym firmy Lockheed Martin w Denver - gdzie powstają rakiety nośne Tytan i Atlas - w samej fabryce pracuje zdecydowana mniejszość personelu. Lockheed Martin skutecznie konkuruje z innymi wielkimi firmami lotniczymi i kosmicznymi, wnoszę więc, że i one funkcjonują z ogromnym obciążeniem kosztami administracyjnymi.

System nagród wymusiłby radykalną zmianę panujących układów, gdyż zysk firmy równałby się dokładnie kwocie nagrody minus poniesione koszty. Zysk malałby wraz ze wzrostem kosztów, a nie na odwrót, a w konsekwencji firmom zależałoby na ograniczaniu wydatków. Dużo mniejsze obciążenie ze strony działów dokumentacji i księgowości doprowadziłoby do dalszego obniżenia prawdziwych kosztów podstawowych.

372 • CZAS MARSA

Ustawa o Nagrodzie Marsjańskiej pozwoliłaby rządom i prywatnemu przemysłowi, wykorzystującemu satelity, kupować wyposażenie po dużo niższej cenie - dzięki powstaniu nowego typu firm lotniczych i kosmicznych lub wymuszeniu drastycznej zmiany zasad funkcjonowania dotychczasowych producentów. Tańsze rakiety i sprzęt kosmiczny oznaczają oszczędności idące w miliardy dolarów.

Dlaczego jednak Nagroda Marsjańska ma wynosić tylko 20 miliardów, skoro twierdzę, że realizacja programu Mars Direct kosztowałaby administrację rządową prawie 30 miliardów? Czy nawet przy dodatkowych nagrodach, w sumie wynoszących jakieś 10-20 miliardów, prywatnym instytucjom taka rywalizacja w ogóle będzie się opłacać?

Podana przeze mnie szacunkowa wysokość potrzebnych funduszy - 30 miliardów dolarów - zakłada finansowanie projektu zgodnie z modelem J.F.K., tj. z budżetu państwa i za pośrednictwem NASA, która zleca wykonanie zadań istniejącym firmom przemysłu kosmicznego, wliczającym w cenę koszty rozbudowanego zarządu, przy czym sama NASA dodatkowo wydaje sporo pieniędzy na „administrowanie projektem". Moim zdaniem zrealizowanie projektu Mars Direct lub Mars Semi-Di-rect w oparciu o prawdziwą prywatną konkurencję, czyli w sytuacji, gdy ludzie angażujący się w realizację mają wolną rękę. gdy podejmują decyzje, co i od kogo kupić, by zbudować sprzęt wybrany bez przymusu, wiązałoby się z kosztami 4-6 miliardów dolarów. W porównaniu z szacunkowym kosztem projektu Mars Direct w wysokości 30 miliardów brzmi to nieprawdopodobnie, nie wspominając o 450 miliardach dolarów potrzebnych na realizację planu przedstawionego w Raporcie 90-dniowym. Jeśli jednak planując wyprawę na Marsa zastanowimy się, co jest naprawdę konieczne, oraz skorzystamy z takich udogodnień, jak tanie rosyjskie rakiety nośne itd., to okaże się, że w zasadzie koszt misji nie powinien przekroczyć jakichś 4 miliardów. Innymi słowy, bardzo dużo można kupić za 4 miliardy dolarów.

Rozważmy następujące okoliczności: koszt stworzenia doskonałego, nowoczesnego myśliwca odrzutowego inżynierowie

WIDOK Z ZIEMI • 373

pracujący w przemyśle lotniczym i kosmicznym oceniają zwykle na 10 tysięcy dolarów za kilogram wagi sprzętu. Znaczy to, że koszt zbudowania jednej tony nowoczesnego samolotu wynosi mniej więcej 10 milionów dolarów - a stopień jego złożoności dorównuje konstrukcji sprzętu kosmicznego do wyprawy na Marsa: modułów mieszkalnych, marsjańskich rakiet nośnych, ładowników i pozostałych elementów sprzętu Mars Direct. (Doświadczalna jednostopniowa rakieta DC-X produkcji McDonnel Douglas kosztowała średnio 6 milionów dolarów w przeliczeniu na tonę). Nie uwzględniając rakiet nośnych, sprzęt do realizacji projektu Mars Direct lub Mars Semi-Direct waży w sumie (bez ładunku) nie więcej niż 100 ton, zatem koszt produkcji sprzętu nie przekroczy l miliarda. Masa wszystkiego, co przyda się na Czerwonej Planecie, będzie wynosić w przybliżeniu 300 ton (z czego duża część to paliwo na lot po trajektorii rejsowej na Marsa, które jest znacznie tańsze: tona kosztuje mniej niż tysiąc dolarów). Wyniesienie na niską orbitę okołoziemską ładunku około 300 ton wymagałoby trzech startów rosyjskiej rakiety nośnej Energia; zatem przy cenie pojedynczego startu sięgającej 300 milionów dolarów2 całkowite koszty startowe wyniosłyby w przybliżeniu 900 milionów. Niewykluczone, że trzeba by wydać kolejne 500 milionów dolarów na ponowne uruchomienie linii produkcyjnej rakiet Energia. Pełny koszt kompletu sprzętu oraz niezbędnych startów rakiet zamyka się kwotą 2,4 miliarda dolarów. Na koszty operacyjne, administrowanie programem, koszty prawne i inne dodatkowe wydatki trzeba będzie dorzucić 600 milionów. Okazuje się, że program załogowych lotów na Marsa powinien w sumie kosztować około 3 miliardów dolarów. Program marsjański pozostałby równie niedrogi nawet wtedy, gdyby nie udało się wykorzystać rakiety nośnej Energia czy innych rosyjskich rakiet (jak na przykład używana obecnie rakieta Proton, wynosząca na LEO tonę ładunku za mniej więcej

2 B. Lusignan i in.: The Stanford US-USSR Mars Exploration Initiative, Final Re-port, Stanford University School of Engineering, Stanford, Kalifornia, lipiec 1992.

374 • CZAS MARSA

4 miliony dolarów). Koszt umieszczenia na LEO tony ładunku przez współczesne amerykańskie rakiety nośne - Tytan, Atlas i Delta - wynosi około 10 milionów dolarów, czyli 10 tysięcy od kilograma. Przy takich stawkach za starty za wyniesienie na niską orbitę okołoziemską ładunku mniej więcej 300 ton trzeba by zapłacić 3 miliardy dolarów. Nie zapominajmy przy tym, że wymienione ceny zostały podane na podstawie bardzo konserwatywnych zasad, a nowe ciężkie rakiety nośne, Prom C czy Ares, byłyby tańsze z uwagi na efekt skali, czyli spadek kosztów towarzyszący zwiększeniu produkcji. Wraz z budową sprzętu (około l miliarda) oraz kosztami obsługi (około 600 milionów) program w sumie kosztowałby poniżej 5 miliardów dolarów.

Skoro rzeczywiste koszty produkcji wynoszą mniej więcej 4-6 miliardów dolarów, nagroda w wysokości 20 miliardów dolarów powinna być wystarczająco atrakcyjna, by zmobilizować energię i kapitał sektora prywatnego. Bez wątpienia podniosłyby się głosy kwestionujące realność zorganizowania załogowych lotów na Marsa za 5 miliardów dolarów. Nie należy jednak przywiązywać do tego dużej wagi, gdyż po uchwaleniu ustawy o Nagrodzie Marsjańskiej ważne będzie jedynie, czy znajdą się inwestorzy wierzący w wykonalność projektu. Odpadnie konieczność przekonywania większości zasiadających w Kongresie o szansach na tanie wysłanie ludzi na Czerwoną Planetę, za to wystarczy pozyskać takich ludzi, jak na przykład Bili Gates. Bardzo istotna różnica, biorąc pod uwagę znaną okoliczność, że sektor prywatny z reguły znacznie chętniej niż sektor państwowy przyjmuje rozwiązania innowacyjne, gdyż decyzja o podjęciu nowatorskich działań nie wymaga powszechnej zgody. Aby zacząć, wystarczy często jeden inwestor nie bojący się ryzyka.

Gdyby zaś nikt nie podjął wyzwania, cała akcja nie kosztowałaby amerykańskich podatników ani dolara.

Czy ustanowienie Nagrody Marsjańskiej wyrządzi szkody NASA? Moim zdaniem, nie. Wręcz przeciwnie, spowoduje napływ kapitału do najlepszych ośrodków badawczych NASA, gdyż prywatne konsorcja, dążąc do wygrania wyścigu, będą im

WIDOK Z ZIEMI • 375

zlecać podwykonawstwo niektórych prac, wymagających doświadczenia. Spodziewam się ożywczego wpływu takiej sytuacji na inżynierów od nowych technologii w NASA - zmusi ich to do pracy nad rozwiązaniami naprawdę przydatnymi podczas misji marsjańskich i oderwie od badań nad nikomu niepotrzebnymi technologiami.

Poniżej przedstawiam listę nagród, przygotowaną przeze mnie na prośbę Newta Gingricha, przyznawanych za pierwsze pomyślne wykonanie wyznaczonych zadań; lista stanowi zachętę do realizacji programu wysłania ludzi na Marsa. Choć nagrody odpowiadają kolejnym etapom, prowadzącym do ostatecznego celu, prywatny przedsiębiorca nie musi angażować się we wszystkie zadania. Równie dobrze może poprzestać na wykonaniu jednego, wybranego zadania albo spróbować zrealizować parę kolejnych; może też w ogóle pominąć łatwiejsze etapy i podjąć się najtrudniejszego zadania, zasługującego na główną nagrodę: pionierskiego załogowego lotu na Marsa.

ZADANIE l: Wysłanie misji polegającej na umieszczeniu orbitalnego systemu obrazowania na orbicie okołomarsjańskiej.

Nagroda: 500 milionów dolarów.

Warunki: Zbieranie i przekazywanie obrazów dobrej jakości z przynajmniej 10% powierzchni planety, o rozdzielczości co najmniej 20 cm na piksel. Udostępnienie wszystkich obrazów administracji rządowej USA w celu publikacji.

Premia: Dodatkowy milion dolarów za objęcie (co najmniej w 90%) systemem obrazowania każdego spośród 200 szczególnie interesujących miejsc na powierzchni Marsa, umieszczonych na liście przygotowanej przez grupę roboczą ds. badań Marsa w NASA.

ZADANIE 2: Wysłanie na Marsa automatycznego ładownika, który pobierze próbki marsjańskiej gleby i przyleci z nimi na Ziemię, wykorzystując w drodze powrotnej paliwo wyprodukowane z marsjańskich surowców.

Nagroda: l miliard dolarów.

376 • CZAS MARSA

Warunki: Próbka marsjańskiego gruntu musi ważyć co najmniej 3 kg. Wykorzystując lokalne surowce, wyprodukować trzeba na Marsie co najmniej 70% (wagowych) mieszaniny napędowej, która zostanie użyta podczas dwóch kluczowych etapów drogi powrotnej: startu z powierzchni Marsa oraz lotu po trajektorii rejsowej Mars-Ziemia.

Premia: 10 milionów dolarów za przywiezienie każdej dodatkowej próbki skały innego typu, jednak w sumie nie więcej niż 300 milionów dolarów.

ZADANIE 3: Zbudowanie systemu podtrzymywania funkcji życiowych w przestrzeni kosmicznej, przystosowanego do długiego działania.

Nagroda: l miliard dolarów.

Warunki: Co najmniej trzyosobowa załoga musi przetrwać w przestrzeni kosmicznej przez minimum dwa lata bez uzupełniania zapasów z Ziemi.

ZADANIE 4: Umieszczenie na powierzchni Czerwonej Planety rovera o hermetycznej zabudowie.

Nagroda: l miliard dolarów.

Warunki: Pojazd musi zapewnić przeżycie na Marsie dwóch astronautów przez co najmniej tydzień, co powinno zostać potwierdzone tygodniowym testem na Ziemi, polegającym na przejechaniu 1000 km w dzikim, nie tkniętym ludzką stopą terenie. Na powierzchni Marsa rover musi pokonać dystans co najmniej 100 km. Podczas jazdy na Marsie wewnątrz kabiny rovera ciśnienie powinno wynosić 3-15 psi, a temperatura 10-30°C.

ZADANIE 5: Zbudowanie pojazdu rakietowego, wykorzystującego paliwo marsjańskiego pochodzenia, zdolnego wynieść ładunek o masie 5 ton z powierzchni Marsa na niską orbitę okołomarsjańską.

Nagroda: l miliard dolarów.

Warunki: Wykorzystując lokalne surowce, trzeba wyprodukować na Marsie co najmniej 70% (wagowych) mieszaniny napędowej.

WIDOK Z ZIEMI • 377

ZADANIE 6: Demonstracja funkcjonowania aparatury, zdolnej wytworzyć na powierzchni Marsa ponad 500 ton paliwa w ciągu 500 dni pobytu na Marsie.

Nagroda: l miliard dolarów.

Warunki: Wykorzystując lokalne surowce, trzeba wyprodukować na Marsie co najmniej 70% (wagowych) mieszaniny napędowej.

ZADANIE 7: Demonstracja funkcjonowania systemu przystosowanego do wytwarzania energii 15 kW (średnia dobowa) przez 500 dni pobytu na Marsie.

Nagroda: l miliard dolarów.

Warunki: Produkcja energii elektrycznej podczas 500 dni nie może nigdy spaść poniżej 2 kW.

ZADANIE 8: Zbudowanie rakiety zdolnej wysłać na powierzchnię Marsa ładunek o masie 10 ton.

Nagroda: 2 miliardy dolarów.

Warunki: Wyposażenie w układ miękkiego lądowania, zapewniający, że podczas całego lotu ładunek nigdy nie doświadczy przeciążeń przekraczających 8 g.

ZADANIE 9: Zbudowanie rakiety zdolnej umieścić na niskiej orbicie okołoziemskiej ładunek o masie co najmniej 120 ton.

Nagroda: 2 miliardy dolarów.

Warunki: Rakieta nośna musi wystartować z terytorium USA. Rakieta Saturn 5 się nie kwalifikuje, natomiast jej nowa, udoskonalona wersja zostanie dopuszczona do udziału w konkursie.

ZADANIE 10: Demonstracja rakiety zdolnej umieścić ładunek o masie 50 ton na trajektorii rejsowej Ziemia-Mars.

Nagroda: 3 miliardy dolarów.

Warunki: Hiperboliczna prędkość przy opuszczaniu Ziemi musi wynosić co najmniej 4 km/s. Start musi odbywać się na rakiecie nośnej (lub rakietach nośnych) przystosowanej do jednorazowego wyniesienia na niską orbitę okołoziemską ładun-

378 • CZAS MARSA

ku minimum 120 ton. Rakieta nośna musi wystartować z terytorium USA.

ZADANIE 11: Zbudowanie rakiety zdolnej wysłać na powierzchnię Marsa ładunek o masie 30 ton.

Nagroda: 5 miliardów dolarów.

Warunki: Wyposażenie w układ miękkiego lądowania, zapewniający, że podczas całego lotu ładunek nigdy nie doświadczy przeciążeń przekraczających 8 g.

ZADANIE 12: Wysłanie załogowej wyprawy na Marsa, pobyt na powierzchni planety i bezpieczny powrót na Ziemię.

Nagroda: 20 miliardów dolarów.

Warunki: Załoga w większości powinna składać się z Amerykanów. Przynajmniej trzech astronautów musi dolecieć na Marsa i spędzić na powierzchni planety minimum 100 dni. Jeden członek załogi musi odbyć co najmniej trzy wycieczki terenowe, oddalając się podczas każdej z nich od miejsca lądowania o ponad 50 km.

Premia: Członkowie załogi otrzymają po jednym milionie dolarów (na głowę) za każdy dzień spędzony na powierzchni Marsa, jednak w sumie nie więcej niż 5 miliardów dolarów.

Przyznanie każdej nagrody będzie ponadto uzależnione od przestrzegania pewnych ogólnych wymogów, ponieważ niektóre zadania zawierają się w innych: na przykład każdy statek zdolny zawieźć na powierzchnię Marsa ładunek o masie 30 ton tym bardziej potrafi dostarczyć 10 ton. Osiągnięcie celu ambitniejszego, obejmującego trudniejsze zadanie, przed realizacją wcześniejszego, prostszego zadania, oznacza zdobycie obu nagród. „Amerykańskość" powstających systemów rakietowych zapewni wymóg produkcji przynajmniej 51% sprzętu (w stosunku do całkowitej wartości) w USA. Nie znaczy to, że każdy podsystem musi być w 51% amerykański: na przykład załogowy lot na Marsa z wykorzystaniem rosyjskich ciężkich rakiet nośnych w razie sukcesu zostanie uhonorowany główną nagrodą (20 miliardów dolarów), pod warunkiem wytworzenia

WIDOK Z ZIEMI • 379

w USA nie mniej niż 51% całego sprzętu, natomiast misja ta nie będzie się kwalifikować do otrzymania nagrody za zbudowanie ciężkiej rakiety nośnej. Na koniec, zdobywca dowolnej nagrody musi zobowiązać się do odsprzedaży, na prośbę rządu USA, dodatkowych egzemplarzy (jednak nie więcej niż trzech) zwycięskiego systemu rakietowego po cenie jednostkowej nie przekraczającej 20% wartości nagrody za każdy egzemplarz. Ze swej strony rząd USA zobowiąże się udostępnić, po cenie równej kosztom (bez zysku), wszystkim uczestnikom konkursu Deep Space Tracking Network, bazujący na antenach parabolicznych o średnicy 34 m. Poza tym w przypadku wszystkich startów konkursowych lotów rząd USA zapewni wsparcie obsługi naziemnej i układów śledzących w Centrum Kosmicznym im. Kennedy'ego oraz innych ewentualnych miejscach startu, a także - w celu budowy wyrzutni rakietowej - udostępni uczestnikom konkursu po umiarkowanej cenie tereny pod budowę wyrzutni.

Przyjęcie ustawy o Nagrodzie Marsjańskiej sprawi, że o doborze koncepcji misji i najlepszych technologii będzie decydować sukces w działaniu, a nie komitety ekspertów. Nagrody za realizację kolejnych etapów marsjańskiego programu służą za zachętę do podejmowania prób, lecz także stanowią dla prywatnych firm możliwość „rozpędzenia się" pod względem finansowym oraz zgromadzenia kapitału, koniecznego do sfinansowania załogowej misji na Marsa. Na przykład firma może przystąpić do uczestnictwa w konkursie, starając się najpierw zdobyć nagrodę dziewiątą, przyznawaną za skonstruowanie ciężkiej rakiety nośnej. Wprawdzie w przypadku takiego zadania kwota 2 miliardów dolarów nie przyniesie zysków i ledwo pozwala pokryć poniesione koszty, dziewiąta nagroda stanowi jednak dla firmy idealne przygotowanie do sięgnięcia po nagrodę dziesiątą - za umieszczenie ładunku o masie 50 ton na trajektorii rejsowej Ziemia-Mars - w wysokości 3 miliardów. Jej zdobycie przynosi już znaczny dochód i pozwala przymierzyć się do nagrody jedenastej: 5 miliardów dolarów za wysłanie ładunku o masie 30 ton na powierzchnię Marsa i przeprowadzenie miękkiego lądowania. Po wykonaniu jedenastego zadania

380 • CZAS MARSA

uczestnik konkursu dysponuje już podstawowym środkiem transportu do odbycia załogowego lotu według projektu Mars Direct, a także wysokim kapitałem obrotowym pozwalającym podjąć próbę zdobycia głównej nagrody, czyli 20 miliardów dolarów, czekającej na organizatora pierwszej załogowej wyprawy na Marsa i powrotu na Ziemię. Z kolei wspólnicy, dysponujący na początku niższym kapitałem założycielskim, zdobywając którąś ze wstępnych, niższych nagród pomnożą fundusze i wejdą do gry o wyższą stawkę bocznymi drzwiami, jeśli można się tak wyrazić. Uczestnictwo w konkursie można rozpocząć na wiele sposobów, zyskując zarazem doświadczenie i kapitał. Zdobycie wstępnych nagród wymaga opracowania, zbudowania i zademonstrowania działania technologii o fundamentalnym znaczeniu do wykonania głównego zadania programu. Mimo to nagrody nie narzucają koncepcji misji i dopuszczają zdobycie głównej nagrody w dowolny sposób lub z zupełnym pominięciem zadań wstępnych. Szansa „rozpędzenia się" ułatwia wielokrotne uczestnictwo w konkursie. Zawodnicy muszą wykorzystać zdolności twórcze, decydując o wyborze najskuteczniejszej drogi na Marsa, w wyniku czego powstanie grupa niedrogich środków transportu, umożliwiających nie tylko zatknięcie flagi i pozostawienie śladów na Marsie, lecz przede wszystkim pozwalających na prowadzenie systematycznych badań oraz zapoczątkowanie ludzkiego osadnictwa na Czerwonej Planecie.

Odkąd Newt Gingrich został wybrany liderem republikańskiej większości w Kongresie, jest kompletnie zaabsorbowany żądaniami aktywistów podatkowych, działaczy antyaborcyjnych, wyborców domagających się likwidacji deficytu budżetowego i wielu innych grup nacisku. Choć prosił o przygotowanie projektu Nagrody Marsjańskiej i, według Eisenacha, był nim zachwycony, sądzę, że nic w tym kierunku nie zrobi, dopóki nie przekona się o politycznym poparciu programu przez wyborców. Tak samo Al Gore, który przed wyborami wielokrotnie dawał do zrozumienia, że popiera propozycję Sagana wspólnych, amerykańsko-rosyjskich załogowych lotów na Marsa. Od momentu objęcia stanowiska wiceprezydenta nigdy nie po-

WIDOK Z ZIEMI • 381

ruszył tego tematu. Politycy nie zabiorą się do działania, dopóki nie zademonstrujemy naszej siły.

Co możesz zrobić

Jeśli popierasz program wysłania ludzi na Marsa, powinieneś stać się aktywistą kosmicznym.

Zgodnie z wynikami badań Millera w Ameryce prawie 40 milionów osób interesuje się badaniami kosmicznymi. Jednocześnie dwie najważniejsze krajowe organizacje, związane z programem kosmicznym - Narodowe Towarzystwo Kosmiczne i Planetary Society (Towarzystwo Planetarne) - mają razem około 100 tysięcy członków. W Ameryce ogromna liczba ludzi popiera badania kosmiczne, ale na płaszczyźnie politycznej zorganizowane poparcie wykazuje tylko znikoma ich część. Dość silny nacisk polityczny wymaga stworzenia trwałych organizacji, grupujących licznych zwolenników. Sytuacja w największym skrócie przedstawia się następująco: nie wystarczy dobrze życzyć programowi kosmicznemu, Mars potrzebuje Twojego poparcia. Osoby uważające, że przyszłość ludzkości nie musi zamykać się w ziemskim horyzoncie, powinny połączyć siły i przemówić. Sądzę, że najlepszym sposobem jest przyłączenie się do jednej z organizacji, aktywnie wspierających badania kosmiczne.

W USA działają trzy takie organizacje. Wybór odpowiedniej jest kwestią indywidualną, dlatego postaram się scharakteryzować je obiektywnie. Niewykluczone, że w jakiej ś mierze pozostanę stronniczy, gdyż sam jestem związany z Narodowym Towarzystwem Kosmicznym.

Towarzystwo Planetarne ma najwięcej członków - około 75 tysięcy. Towarzystwo założył Carl Sagan, który kierował nim wraz z Louisem Friedmanem i Bruce'em Murrayem, dawnym dyrektorem JPL NASA. Nietrudno się domyślić, że Towarzystwo Planetarne zdecydowanie propaguje proponowany przez Sagana model współpracy amerykańsko-rosyjskiej jako podstawę realizacji każdego planu wysłania ludzi na Marsa. Ponie-

382 • CZAS MARSA

waż programu załogowych lotów na Marsa na razie nie ma, Towarzystwo skupia się na rozwoju badań planet za pomocą sond kosmicznych i robotów, w miarę możliwości wspierając współpracę międzynarodową. Towarzystwo Planetarne prawdopodobnie najbardziej będzie odpowiadać osobom przekonanym o kluczowym znaczeniu międzyrządowej współpracy dla programu załogowych lotów na Marsa. Członkiem Towarzystwa Planetarnego można zostać, przesyłając czek na 35 dolarów pod adres: The Planetary Society, 65 North Catalina Ave-nue, Pasadena, CA 91106, USA. Członkowie Towarzystwa otrzymują ilustrowany dwumiesięcznik i liczne biuletyny, informujące o międzynarodowej współpracy kosmicznej i badaniach planet.

Narodowe Towarzystwo Kosmiczne, druga pod względem liczebności (25 tysięcy członków) organizacja wspierająca badania kosmiczne, została założona przez Wernhera von Brauna oraz profesora Uniwersytetu w Princeton, Gerarda O'Neilla, który zyskał sławę dzięki swym wizjom przyszłości ludzkości w kosmosie. Obecnie towarzystwem kieruje Buzz Aldrin, astro-nauta misji Apollo 11, Charles Walker, astronauta latający promem kosmicznym, Lori Garver oraz ja, dzierżąc funkcję przewodniczącego komitetu wykonawczego Towarzystwa. Podstawowym celem Narodowego Towarzystwa Kosmicznego jest działalność, która ma prowadzić do zapoczątkowania ludzkiego osadnictwa w kosmosie: na Marsie oraz na Księżycu. Towarzystwo nie jest przeciwne współpracy międzynarodowej, jednak nie uważa jej za niezbędny etap rozwoju badań kosmicznych i równie chętnie wesprze program misji marsjań-skich, wykorzystujący model J.F.K, Sagana czy Gingricha. Program kolonizacji kosmosu wciąż nie może doczekać się realizacji, dlatego obecnie główny nurt działań towarzystwa wiąże się z technologiami o kluczowym znaczeniu dla przetrwania ludzi w kosmosie, dotyczącymi na przykład rakiet nośnych wielokrotnego użytku. Czytelnik popierający ideę jak najszybszego wysłania ludzi na Marsa i uznający wybór modelu politycznego za kwestię wtórną, prawdopodobnie powinien wybrać Narodowe Towarzystwo Kosmiczne. W Ameryce Towarzy-

WIDOK Z ZIEMI • 383

stwo posiada około 100 oddziałów regionalnych, które organizują spotkania lokalne i regionalne; raz do roku odbywa się konferencja krajowa. Aby zostać członkiem Narodowego Towarzystwa Kosmicznego, należy przesłać czek na 35 dolarów pod adres: National Space Society, 922 Pennsylvania Avenue S.E., Washington, DC 20003, USA. Członkowie Towarzystwa otrzymują ilustrowany dwumiesięcznik i liczne biuletyny, dotyczące programów kosmicznych.

Fundacja Kosmicznego Pogranicza to znacznie mniejsza organizacja; ma około 500 członków. Kierowana przez Ricka Tumlinsona i Jima Muncy'ego, niewątpliwie najbardziej sprzyja bezpośrednim kontaktom członków. Fundacja Kosmicznego Pogranicza bardzo wyraźnie kieruje się ku rozwiązaniom bazującym na wolnej konkurencji, a spośród trzech omówionych w niniejszym rozdziale modeli gotowa byłaby poprzeć wyłącznie podejście Gingricha. Zwolennicy realizacji programu załogowych lotów na Marsa przy minimalnym zaangażowaniu administracji rządowej i jak największym udziale prywatnych przedsiębiorców najlepiej czuć się będą w Fundacji Kosmicznego Pogranicza. Raz do roku Fundacja organizuje krajową konferencję. Członkostwo w Fundacji Kosmicznego Pogranicza wymaga przesłania czeku na 25 dolarów pod adres: The Space Frontier Foundation, 16 First Avenue, Nyack, NY 10960, USA. Członkowie Fundacji otrzymują dwumiesięcznik informacyjny.

Wstępując do tych organizacji, warto zaznaczyć, że głównym motywem jest chęć poparcia planów wysłania ludzi na Marsa. Jeśli pragniesz, drogi Czytelniku, aktywniej przyczynić się do realizacji tego celu, proszę, poinformuj mnie o tym (podając adres oraz, w miarę możliwości, adres poczty elektronicznej) na kartce pocztowej, przesłanej pod adres: Box 273, Indian Hills, CO 80454, USA. W ten sposób znajdziesz się na mojej liście adresowej Mars Underground. Czytelnik dysponujący dostępem do Internetu może ponadto odwiedzić moją stronę WWW, poświęconą Marsowi. Jej adres: http://www.magick.net/mars; zawiera ona m.in. wiele moich specjalistycznych publikacji.

Historię tworzą ludzie aktywni, a nie widzowie. Czas włączyć się do tych działań.

384 • CZAS MARSA

Historyczny moment

Założenie przez ludzi pierwszej placówki na Marsie będzie najważniejszym wydarzeniem historycznym naszych czasów. Ferdynand i Izabela są obecnie powszechnie znani przede wszystkim dzięki ich związkowi z wyprawami Kolumba. Niewiele osób potrafi wymienić poprzedników oraz następców Ferdynanda i Izabeli; dziś prawie nikt nie pamięta też o ówczesnych wojnach, okropnościach, przewrotach pałacowych, skandalach, fortunach i bankructwach, najważniejszych sprawach dla ludzi tamtej epoki. Za 500 lat ludzkość zupełnie zapomni o operacji Pustynna Burza czy skandalu Whitewater, o wojnach w Kuwejcie i Nikaragui, nikogo nie będzie obchodzić, czy jakiś amerykański prezydent zdołał zreformować system opieki zdrowotnej albo zrównoważyć budżet. Natomiast na zawsze trafią na karty historii pierwsi odkrywcy, którzy staną na Marsie, oraz naród, który ich wysłał.

W szkole dużo czytałem na temat historii starożytnej i wciąż nieźle pamiętam jedną z mów Peryklesa, wygłoszoną pod koniec drugiego roku desperackiej wojny ze Spartą na cześć obywateli poległych podczas walk. Ateński przywódca tak zwrócił się do krewnych ofiar:

Wasi synowie i mężowie nie żyją. Rozumiem Wasz smutek. Pamiętajcie jednak, czego dokonali. Zginęli za Ateny, miasto obywateli, a nie poddanych; miasto wyjątkowe, w którym kwitnie filozofia, nauka i kultura umysłowa; miasto pozwalające swoim obywatelom wieść godne życie, wywiązywać się z obowiązków, lecz zarazem w pełni korzystać z ludzkich praw.

Po czym Perykles wyraził następującą opinię: „Ateny zadziwią przyszłe pokolenia, skoro nawet współcześni nie mogą wyjść ze zdumienia na nasz widok".

Niedługo potem Ateny utraciły potęgę, lecz słowa Peryklesa pozostają aktualne. Pomimo dwóch tysiącleci, dzielących nas od tamtych czasów, oraz wszystkich późniejszych osiągnięć

WIDOK Z ZIEMI • 385

technicznych i literackich, starożytne Ateny wciąż wprawiają w zdumienie. Gdyby udało się nam otworzyć przed ludzkością pierwszy nowy świat na Czerwonej Planecie, za dwa tysiące lat człowiek będzie najprawdopodobniej zamieszkiwał nie tylko Marsa i Ziemię, lecz także i wiele innych planet w naszej części Galaktyki. Z pewnością umiejętności przyszłych cywilizacji wydałyby się dziś równie magiczne, jak nasze osiągnięcia widziane z perspektywy Aten Peryklesa. Niemniej miliardy mieszkańców rozlicznych układów planetarnych wokół odległych gwiazd z zadziwieniem spoglądałoby ku naszym czasom i początkom kolonizacji kosmosu.

EPILOG

ZNACZENIE MARSJAŃSKIEGO POGRANICZA

Nieco ponad sto lat temu, podczas dorocznej konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Historycznego, głos zabrał pewien młody profesor historii z niezbyt wówczas znanego Uniwersytetu Stanu Wisconsin. Choć wykład Fredericka Jack-sona Turnera wyznaczono pod sam koniec sesji wieczornej i choć poprzedzały go liczne nieistotne wystąpienia, czekała nań większość uczestników. Rozeszła się pogłoska, że usłyszą coś bardzo ważnego. Istotnie, Turner przedstawił błyskotliwą interpretację podstaw społeczeństwa amerykańskiego i charakteru narodowego jego członków. Postawił tezę, że źródłem amerykańskiego egalitaryzmu, demokracji, indywidualizmu i ducha innowacji nie są czynniki natury prawnej, dziedzictwo przeszłości, tradycja czy mieszanina narodów i ras. Amerykanów ukształtowało życie na pograniczu. Zdaniem Turnera:

Właśnie życiu na pograniczu amerykański umysł zawdzięcza swoje wyjątkowe umiejętności: nieokrzesaną siłę, połączoną z wnikliwością i dociekliwością rozumu; pragmatyzm, pozwalający szybko znajdować stosowne rozwiązania; mistrzowskie rozumienie rzeczy materialnych; brak zmysłu artystycznego, lecz zarazem niebywałą zdolność osiągania ambitnych celów; niezmożoną, pełną emocji energię; domi-

388 • CZAS MARSA

nujący indywidualizm, prowadzący zarówno do dobrych, jak i złych rezultatów; ponadto pogodę ducha i zdrowie, będące konsekwencją wolności - oto cechy ludzi pogranicza, wszystkich ludów ukształtowanych przez pogranicze.

Turner ciągnął dalej:

Pogranicze sprawia, że więzy tradycji pękają na jakiś czas, a triumfy święci niepohamowanie i swoboda. Człowiek to nie tabula rasa. Nieustępliwe środowisko Ameryki siłą narzuca swoje warunki. Niezależnie od tradycji, na przekór środowisku i zwyczajom, pogranicze zawsze daje zupełnie nowe możliwości, podsuwa nową drogę ucieczki i zrywa więzy przeszłości. Pograniczu zawdzięczamy świeże spojrzenie, śmiałość, irytację i pogardę dla starego społeczeństwa -jego ograniczeń i idei - oraz zobojętnienie dla jego nauk. Dla Greków pograniczem było Morze Śródziemne - pozwalało zerwać więzy tradycji, zapewniało nowe doświadczenia, doprowadziło do utworzenia nowych instytucji i powstania nowych rodzajów ludzkiej działalności. Dla Stanów Zjednoczonych wiecznie oddalające się pogranicze znaczy jeszcze więcej...1

Teza Turnera wywołała intelektualną rewoltę, która po kilku latach doprowadziła do powstania nowej szkoły historycznej. Jej przedstawiciele wykazali, że nie tylko kultura amerykańska, lecz cała postępowa cywilizacja ludzka, której przykładem jest Ameryka, zawdzięcza swój kształt przede wszystkim globalnemu osadnictwu, zapoczątkowanemu w Europie przez epokę wielkich odkryć geograficznych.

Turner wygłosił swoje słynne przemówienie w 1893 roku, trzy lata po ogłoszeniu, że amerykańskie pogranicze przestało istnieć. Pogranicze bowiem wyznaczają najbardziej wysunięte osady ludzkie, a w 1890 roku spotkały się dwie linie osadnictwa: podstawowa, posuwająca się na zachód od wybrzeży

1 F. J. Turner: The Frontier in American History. H. Holt & Co., Nowy Jork 1920.

ZNACZENIE MARSJAŃSKIEGO POGRANICZA • 389

Atlantyku oraz druga, wędrująca na wschód od Kalifornii. Sto lat później znów stajemy wobec pytania: co się stanie, gdy pogranicze naprawdę się skończy? Co się stanie z Ameryką i jej wartościami? Czy społeczeństwo wolne, egalitarne i pełne inwencji może przetrwać, gdy zabraknie miejsca dla dalszego rozwoju?

W czasach Turnera tak sformułowane pytanie byłoby zapewne nieco przedwczesne, lecz dziś już nie. Rozglądając się wokół siebie, dostrzegamy oznaki wyraźnego osłabienia sił życiowych naszego społeczeństwa: rozrost struktur władzy; nasilenie biurokratyzacji na wszystkich poziomach życia; niezdolność instytucji politycznych do realizacji ambitnych celów; omotywanie wszystkich aspektów życia społecznego - prywatnego i gospodarczego - siecią przepisów prawnych; ekspansję irracjonalizmu; banalizację kultury masowej; u części społeczeństwa - zanik woli podejmowania ryzyka na własny rachunek, niezdolność zadbania o własne sprawy, a nawet samodzielnego myślenia; stagnację oraz upadek gospodarczy... Z wszystkich stron docierają sygnały o problemach wynikających z braku pogranicza.

Ginie duch postępowej, humanistycznej cywilizacji, panujący w Ameryce przez ostatnie dwieście lat - z braku pogranicza, niosącego tchnienie nowego życia. Kwestia dotyczy zresztą całej ziemskiej cywilizacji, a nie tylko Ameryki: ludzkość zawsze potrzebuje awangardy, a nie widać wokół żadnego nowego obszaru, pełniącego funkcję pogranicza.

Należy więc stworzyć nowe pogranicze - to najpilniejsza potrzeba społeczna Ameryki i całej ludzkości. Znalezienie nowych obszarów, które ludzkość mogłaby zagospodarować, jest rzeczą najważniejszą. Jeśli nie będzie nowego pogranicza, nie pomogą żadne środki uśmierzające: ziemską cywilizację, zbudowaną na wartościach humanizmu, nauki i postępu, czeka nieunikniona zagłada.

Jestem przekonany, że jedynie Mars nadaje się na nowe pogranicze.

Dlaczego nie kolonizować niedostępnych środowisk na Ziemi - Antarktydy albo dna oceanicznego? Założenie łudź-

390 • CZAS MARSA

kich osad na powierzchni lub na dnie morza albo na Antarktydzie jest możliwe, w dodatku łatwiej do tych miejsc dotrzeć niż do kolonii na Czerwonej Planecie. Na obecnym etapie rozwoju ludzkości takie miejsca nie spełniają już jednak podstawowego warunku, określającego pogranicze - leżą zbyt blisko, by nowe społeczeństwo mogło się swobodnie ukształtować. Dzięki dzisiejszym sposobom komunikacji i środkom transportu policjanci mogą pojawić się w każdym miejscu na Ziemi, nawet najbardziej odległym czy niedostępnym. Budowa nowego świata wymaga uwolnienia ludzi spod władzy starego porządku.

Mars ma wszystko co trzeba. Leży wystarczająco daleko, by uwolnić kolonizatorów spod intelektualnej i kulturalnej dominacji Ziemi. W przeciwieństwie do Księżyca ma ogromne bogactwa naturalne, mogące posłużyć za podstawę rozwoju nowej gałęzi ludzkości. Przekonaliśmy się, że choć na pierwszy rzut oka Czerwona Planeta wygląda na lodowatą pustynię, to kryje wystarczająco obfite zasoby naturalne, by powstała na niej nowoczesna cywilizacja techniczna. Mars jest daleko i można się na nim osiedlić. Nowy świat - miejsce z definicji oddalone od starego i nadające się do kolonizacji - stworzy podstawy dla pomyślnego rozwoju ludzkiej cywilizacji w ciągu nadchodzących wieków.

Dlaczego ludzkość potrzebuje Marsa

Nowe prawa, nowy sposób życia, nowy układ społeczny

— to wszystko przydawało im sił i ożywiało; tak zyskali niezależność.

}. Hector Sr John de Crevecceur, Letters from an American Farmer (1782)

Istota społeczeństwa humanistycznego polega na nadaniu najwyższej wartości osobie ludzkiej - życie i prawa człowieka są cenione ponad wszystko. Wartości humanistyczne od tysiącleci stanowiły rdzeń filozoficzny zachodniej cywilizacji, znajdując wyraz w greckich i judeochrześcijańskich koncepcjach boskiego pochodzenia ludzkiego ducha. Dopiero jednak wtedy, gdy wielkie odkrycia geograficzne otworzyły przed na-

ZNACZENIE MARSJAŃSKIEGO POGRANICZA • 391

mi Nowy Świat, idee te zostały wykorzystane jako praktyczny fundament organizacji społecznej; dopiero wtedy mogło zostać zasiane i wykiełkować uśpione ziarno humanizmu, trzymane w ukryciu w kościelnych państwach średniowiecznej Europy.

W chrześcijańskiej Europie porządek społeczny stanowił zamkniętą księgę - role zostały wyznaczone, podobnie jak główni aktorzy. Nie brakowało wcale zasobów i bogactw, szczególnie w średniowieczu, gdy kontynent był słabo zaludniony i pokryty rozległymi puszczami. Problem polegał na tym, że wszystkie te bogactwa były czyjąś własnością. Dokonano wyboru klasy panującej oraz paru nadrzędnych instytucji, ustalono zwyczaje i nikt nie mógł ich zmienić. W dodatku oprócz głównych ról obsadzono też miejsca w chórze i statystów. Liczba klas była niewielka, więc dbano o swoje miejsce, by nie znaleźć się wśród ludzi bez wyznaczonej roli.

Nowy Świat - obszar bez narzuconej klasy rządzącej i instytucji władzy - wszystko to zmienił. W zupełnie nowym otoczeniu uczestnicy gry nie mogli ograniczyć się do tradycyjnej roli aktora - musieli wziąć się za pisanie scenariuszy i reżyserowanie. Zdolności twórcze zaczęły się gwałtownie rozwijać, a widzowie zmienili swoje poglądy o umiejętnościach aktorów. Ludzie, którzy nie odgrywali istotnej roli w starym społeczeństwie, w nowym mieli szansę samemu ją określić, a ci, którzy „nie pasowali" do starego porządku, w nowym okazywali się nierzadko bezcenni.

Nowy Świat zniszczył podstawy rządów arystokracji i stworzył fundamenty pod demokrację. Rozwinęła się różnorodność, gdyż możliwa stała się ucieczka od instytucji, które narzucały jednorodność. Importując nie ocenzurowane informacje i nowe doświadczenie, Nowy Świat zniszczył zamknięty świat starych idei. Dopiero ucieczka przed utrwalającą stagnację władzą starych instytucji zainicjowała postęp, doprowadzając do sytuacji, w której niezwykle wysoko ceniono wynalazki, maksymalizujące zdolności niezbyt liczebnego społeczeństwa. Wzrost wartości siły roboczej spowodował, że zwiększyło się poczucie godności klasy pracującej. Cały świat zobaczył, że ludzie potrafią sami zbudo-

392 • CZAS MARSA

wać nowy świat. Począwszy od czasów kolonialnych po XIX wiek, Ameryka nie była zwykłym miejscem, lecz krajem w budowie. W Nowym Świecie ludzie nie mieszkali, lecz tworzyli i budowali.

Opowieść o dwóch światach

Zastanówmy się nad losami ludzkości w XXI wieku w dwóch sytuacjach: z marsjańskim pograniczem i bez niego.

Bez marsjariskiego pogranicza w XXI wieku niewątpliwie dojdzie do dalszego, poważnego ograniczenia różnorodności ludzkiej kultury. Już w końcu XX wieku jesteśmy świadkami zaniku zdrowej, naturalnej różnorodności ludzkich kultur, powodowanego rozwojem nowoczesnych technik komunikacji i transportu. W miarę jak rozwój techniki ułatwia komunikowanie się ludzi, stają się oni coraz bardziej do siebie podobni. Przestaliśmy się już dziwić na widok barów McDonalda w Pekinie, amazońskich tubylców, noszących koszulki z wizerunkiem Michaela Jordana, czy japońskich zespołów, grających muzykę country.

Do pewnego stopnia spotkanie różnych kultur jest zjawiskiem zdrowym, owocującym przejściowym rozkwitem sztuki i innych dziedzin. Towarzyszy mu często nasilenie konfliktów etnicznych. Choć na początku energia uwolniona na skutek połączenia kultur rośnie, w dalszej perspektywie maleje. Homogenizacja kultur przypomina nieco sytuację, gdy łączymy przeciwległe końce baterii drutem: przez pewien czas wyzwala się dużo ciepła, lecz potem potencjały się wyrównują, a bateria zużywa się bezpowrotnie i osiąga stan o najwyższej entropii. Cesarstwo Rzymskie stanowi klasyczny przykład takiego procesu.2

Złoty wiek, który nastał w wyniku unifikacji kulturowej, szybko się skończył, a rozpoczął okres zastoju i upadku.

W XXI wieku tendencje ujednolicenia ziemskich kultur będą się nasilać. Techniki błyskawicznej komunikacji i trans-

2 C. Quigley: The Evolution of Civilizations, Liberty Fund, Indianapolis, Indiana 1961.

ZNACZENIE MARSJANSKIEGO POGRANICZA • 393

portu likwidują bariery dzielące kultury, powodując, że coraz trudniej będzie znaleźć na Ziemi tereny wystarczająco odseparowane od reszty planety, by mogła się na nich ukształtować zupełnie nowa i odmienna kultura. Jeśli jednak otworzymy marsjańskie pogranicze, właśnie rozwój tych technologii umożliwi rozwój nowej, dynamicznej kultury na Marsie, a później i na innych światach. Drogocenna ludzka różnorodność może ocaleć jedynie na rozległej szych terenach. Jeden świat nie wystarczy, aby ludzkość wiodła interesujące życie i aby przetrwała.

Bez nowego pogranicza na Marsie zachodnia cywilizacja staje również wobec ryzyka technologicznej stagnacji. Może to niektórych zdziwić, gdyż dzisiejsze czasy są powszechnie uważane za złotą erę techniki. W rzeczywistości jednak w Ameryce tempo postępu alarmująco spada. Wystarczy porównać zmiany, jakie zaszły w życiu społeczeństwa w ostatnich trzydziestu latach (1966-96), ze zmianami z poprzednich dwóch okresów trzydziestoletnich: 1906-36 i 1936-66. W latach 1906-36 świat został zrewolucjonizowany: zelektryfikowano miasta, pojawiły się telefony, radio, filmy ze ścieżką dźwiękową, praktyczne modele samochodów, rozwijało się lotnictwo - od Wright Flyer do DC-3 i Hurricane. W latach 1936-66 świat znów się zmienił: wprowadzono do użytku satelity komunikacyjne, statki kosmiczne, komputery, telewizję, antybiotyki, energetykę jądrową, rakiety Atlas, Tytan i Saturn, samoloty Boeing 727 i SR-71. W porównaniu z osiągnięciami tych trzydziestoletnich okresów, innowacje technologiczne w latach 1966-96 prezentują się mizernie. Powinny były zajść w tym czasie ogromne zmiany, tak się jednak nie stało. Ekstrapolując krzywą rozwoju technicznego z lat 1906-66 na ostatnie trzydzieści lat stwierdzimy, że powinniśmy dziś mieć wideotelefony, samochody o napędzie słonecznym, pociągi maglev (lewitujące w polu magnetycznym), reaktory termojądrowe, środki transportu między kontynentalnego, poruszające się z prędkością naddźwiękową, tanią i niezawodną komunikację na okołoziemską orbitę, miasta na dnie mórz, uprawy roślin na otwartym morzu i ludzkie osady

394 • CZAS MARSA

na Marsie i Księżycu. Zamiast tego widzimy blokowanie lub utrudnianie rozwoju ważnych technologii, na przykład energetyki jądrowej czy biotechnologii. Bez wątpienia ludzkość zwalnia tempo postępu.

Wyobraźmy sobie teraz młodą marsjańską cywilizację: jej postęp będzie zależeć od rozwoju nauki i techniki. W XIX wieku wynalazki powstałe na amerykańskim pograniczu stanowiły potężny motor rozwoju całej ludzkości. „Marsjańską zaradność", ukształtowana w kulturze przywiązującej najwyższą wagę do inteligencji, praktycznego wykształcenia i realnych osiągnięć, tym bardziej powinna doprowadzić do wynalezienia wielu przełomowych technologii i do ważnych odkryć naukowych. Dokonania marsjańskiej cywilizacji bardzo poprawią warunki życia ludzi w XXI wieku.

Dobrym przykładem wpływu marsjańskiego pogranicza na opracowanie nowych technologii są sposoby produkcji energii. Na Marsie, podobnie jak na Ziemi, fundamentalne znaczenie dla rozwoju osadnictwa będą miały bogate zasoby energii. Czerwona Planeta ma przynajmniej jedno potencjalne źródło wielkich ilości energii: deuter, który można wykorzystać do przeprowadzania syntezy termojądrowej, nie pozostawiającej właściwie żadnych odpadów. Choć również na Ziemi występuje deuter, to - z powodu zaangażowania ogromnego kapitału w inne, bardziej szkodliwe dla środowiska metody produkcji energii - dopuszczono do zastoju w badaniach nad budową reaktorów termojądrowych. Kolonizatorom Marsa z pewnością bardziej będzie zależeć na opanowaniu syntezy termojądrowej, a z ich sukcesu w tej dziedzinie skorzysta także Ziemia.

Porównanie marsjańskiego pogranicza i dziewiętnastowiecznej Ameryki można ciągnąć dalej. Postęp techniczny osiągnięty w XIX wieku w Ameryce wynikał z tego, że sięgające coraz dalej na zachód osadnictwo powodowało ciągły brak rąk do pracy na wschodzie kraju; sytuacja taka wymusiła skonstruowanie maszyn, zastępujących ludzką pracę, oraz poprawę poziomu wykształcenia, umożliwiającą optymalne wykorzystanie umiejętności nie dość licznej siły roboczej. Warunki w Ameryce uległy jednak zmianie i obecnie sytuacja przedstawia się zupeł-

ZNACZENIE MARSJAŃSKIEGO POGRANICZA • 395

nie inaczej. Nasiliły się postawy antyimigracyjne. Powstał wielki publiczny „sektor usługowy", składający się z biurokratów i przedstawicieli innych zawodów, stanowiących tę część populacji, dla której nie ma zajęcia w produkcyjnej sferze gospodarki. Pod koniec XX i na początku XXI wieku każdy dodatkowy obywatel jest i będzie traktowany jako obciążenie.

Na Marsie w XXI wieku będzie występować ogromny niedostatek siły roboczej. Można śmiało stwierdzić, że w XXI wieku nic nie będzie na Marsie tak cenne, jak ludzka praca. Osoby pracujące na Marsie będą lepiej opłacane i traktowane niż ziemscy pracownicy, a poziom wykształcenia kolonizatorów znacznie przewyższy wszystkie ziemskie normy. W XIX wieku przykład Ameryki doprowadził do zmiany sposobu traktowania prostych ludzi w Europie. Podobnie na Ziemi odczuwalny będzie wpływ postępowych stosunków społecznych, panujących na Marsie. Ukształtuje się tam wyższa forma cywilizacji humanistycznej, a mieszkańcy Ziemi zaczną się jej przyglądać i domagać dla siebie podobnych warunków.

Pogranicze wyznaczało kierunek rozwoju amerykańskiej demokracji, powodując powstawanie samowystarczalnych społeczności, które domagały się dla siebie prawa samostanowienia. Przetrwanie demokracji jest bardzo wątpliwe bez tak myślących ludzi. W Ameryce można niewątpliwie dostrzec zewnętrzne atrybuty demokracji, brakuje jednak prawdziwego zaangażowania w sprawy publiczne. Od 1860 roku nie wybrano prezydenta spośród przedstawicieli innych partii. Zniknęły sąsiedzkie kluby polityczne i struktury wyborcze, pozwalające obywatelom uczestniczyć w podejmowaniu decyzji wewnątrz partii politycznych. Kongres USA, wybierany ponownie w około 95%, z pewnością nie jest dobrym barometrem nastrojów i woli społeczeństwa. Niezależnie zaś od woli Kongresu, rozliczne agencje rządowe, których przedstawiciele nawet nie starają się udawać, że pochodzą z wyboru, wprowadzają w życie coraz więcej przepisów, regulujących coraz większy obszar życia społecznego i gospodarczego.

Demokracja w Ameryce oraz w całej zachodniej cywilizacji potrzebuje terapii wstrząsowej. Ożywczy efekt da jedynie przy-

396 • CZAS MARSA

kład nowego społeczeństwa pogranicza, które odwoła się do etosu i ducha amerykańskiej demokracji. W XIX wieku Ameryka wskazała Europie drogę odejścia od oligarchii i zastoju, w XXI wieku podobną rolę mogą spełnić Marsjanie.

W zamkniętym świecie społeczeństwo humanistyczne stoi w obliczu znacznie większych niebezpieczeństw niż tylko utrwalenia oligarchii. Brak pogranicza powoduje rozprzestrzenianie się rozmaitych ideologii antyludzkich i powstawanie instytucji politycznych, odwołujących się do takich koncepcji. Przykładem takiej szkodliwej koncepcji jest teoria Malthusa. Głosi ona, że skoro ilość ziemskich zasobów pozostaje mniej więcej taka sama, należy powstrzymać przyrost populacji, gdyż inaczej wszystkich czeka straszna bieda.

Z naukowego punktu widzenia teoria Malthusa upadła -wszystkie przewidywania poczynione na jej podstawie okazały się błędne, gdyż ludzie nie są wyłącznie konsumentami zasobów. Człowiek wytwarza zasoby, opracowując nowe technologie, które następnie znajdują zastosowanie. Im więcej ludzi, tym więcej wynalazków. Dlatego, wbrew Malthusowi, wraz z przyrostem ludzkiej populacji coraz szybciej poprawiają się warunki życiowe. Niebezpieczeństwo bierze się stąd, że w społeczeństwie zamkniętym teoria Malthusa ma pozór oczywistej prawdy. Nie wystarczy uporać się z teorią Malthusa na płaszczyźnie abstrakcyjnej - sporów takich nie rozstrzygnie się w kręgach akademickich. Dopóki ludzie nie mają przed sobą perspektywy rozległych, nie zamieszkanych obszarów, uporczywie powraca głęboko zakorzenione przekonanie o stałej ilości zasobów. Przyjęcie tezy o niezmienności światowych zasobów sprawia, że człowiek staje się wrogiem drugiego człowieka, a wszystkie państwa odnoszą się do siebie wrogo. W skrajnym przypadku prowadzi to do tyranii, wojen i ludobójstwa. Tylko we wszechświecie o nieograniczonych zasobach wszyscy ludzie mogą być braćmi.

ZNACZENIE MARSJANSKIEGO POGRANICZA • 397

Mars wzywa

Przechwalamy się ostatnio ukształtowaniem globalne-/ gospodarki, choć me myślimy o konsekwencjach tego faktu, o fatalne] sytuacji, w jakiej się przez to znaleźliśmy. Dużo lepiej byłoby dowiedzieć się, ze z powodu jakiegoś wybryku Układu Słonecznego na orbicie wokół Ziemi pojawił się nagle nowy świat, najlepiej gdyby planeta znalazła się tuz koło Ziemi, tak by można zbudować most między planetami, po którym mogliby przejść ludzie, zasiedlić nowe, wolne kontynenty i odkryć nieznane morza Czy emigranci ci odegraliby powtórnie nieszczęsne dzieje, których doświadczyli na Ziemi, czy tez potrafiliby zapobiec przyszłym krzywdom i ustanowić nowe prawa? [...] W każdym razie istnienie nowej, dostępnej dla ludzkości planety przedłużyłoby żywot, jeśli nie zbawiło, dynamicznie rozwijającej się cywilizacji, pozwalając człowiekowi znów poczuć urok wolności [..] Watto się zastanowić, w jakim kierunku rozwijałaby się ludzka wyobraźnia w świecie pozbawionym pogranicza, gdzie trzeba czerpać inspirację z jedno-, a me różnorodności, z identyczności, a nie z kontrastów, z bezpieczeństwa, a nie zagrożeń, z penetrowania szczegółów dobrze znanego świata, a me wielkich niewiadomych, kryjących się na me zbadanych kontynentach i morzach. Marzyciele, poeci i filozofowie wyrażają przecież nadzieje, dążenia i obawy ludzkości Nie sposób opisać, jak bardzo ludziom będzie brakować pogranicza Przez cztery wieki słyszeli wezwanie nieznanego, rozpoznawali możliwości pogranicza i tam budowali swoje życie i bogactwa A teraz nieznane już nie wzywa

Walter Prescott Webb, The Great Fwntier (1951)

Zachodnia cywilizacja humanistyczna w znanej nam i cenionej formie narodziła się podczas zdobywania nowych obszarów, jej dotychczasowy oraz przyszły dynamiczny rozwój wiąże się ze zdobywaniem nowych terytoriów. Wprawdzie w stałym, nie poszerzającym swych granic świecie mogą istnieć pewne społeczeństwa, nie będą jednak w stanie pielęgnować idei wolności, twórczego podejścia, indywidualizmu i postępu. Tak koszmarne widoki na przyszłość wydają się przesadzone, dopóki nie uświadomimy sobie, że większość ludzkości przez prawie całą historię była zmuszona egzystować w niezmiennym układzie społecznym, co miało nieszczęśliwe skutki. Wolne społeczeństwa stanowią wyjątki w historii ludzkości - pomijając pewne odosobnione miejsca, wolne społeczeństwa istnieją dopiero od czterech wieków, w okresie ciągłego przesuwania granic przez zachodnią cywilizację. Historia odkryć geograficznych już jest zamknięta. Zniknęło pogranicze, odkryte przez

398 • CZAS MARSA

Krzysztofa Kolumba. Trzeba stworzyć nowe pogranicze, inaczej może dojść do tego, że przyszli historycy będą spoglądać na czasy zachodniej cywilizacji jak na przemijający złoty wiek, krótki przebłysk w mrocznych, wypełnionych cierpieniem dziejach ludzkości. Dlatego wzywa nas Mars.

A przecież Mars to tylko jedna z planet; jeśli ludzkie umiejętności wzrosną tak szybko, jak można się spodziewać, gdy tylko powstanie marsjańskie pogranicze, przekształcenie warunków panujących na planecie i jej zasiedlenie nie powinno ludzkości zająć więcej niż 300-400 lat. Czy znaczy to, że Mars pozwoli przedłużyć żywot dynamicznie rozwijającej się cywilizacji tylko przez krótki okres? Czy cywilizacja humanistyczna skazana jest na zagładę? Nie sądzę.

Wszechświat jest ogromny. Bogactwa kosmosu są naprawdę nieskończone, trzeba tylko umieć do nich dotrzeć. Podczas czterystu lat istnienia marsjańskiego pogranicza nauka i technika rozwijałyby się na Ziemi w oszałamiającym tempie. Dwudziestowieczne osiągnięcia techniczne przewyższyły wyobrażenia ludzi żyjących w XIX wieku, przeszły najśmielsze marzenia ludzi z XVIII wieku, a w XVII wieku musiałyby wydawać się zupełną magią. Najbliższe gwiazdy są bardzo oddalone od Ziemi, leżą mniej więcej 100 tysięcy razy dalej niż Mars. A Mars znajduje się około 100 tysięcy razy dalej od nas niż Europa od Ameryki. Skoro w ciągu ostatnich czterech wieków zasięg naszej cywilizacji wzrósł w takim stopniu, czy podczas nadchodzących czterech wieków nie uda się powiększyć obszaru dostępnego ludziom również 100 tysięcy razy? Poważne przesłanki wskazują na to, że powinno się nam to udać.

Osadnictwo na Marsie spowoduje powstanie coraz szybszych środków transportu w przestrzeni kosmicznej, a potrzeby wiążące się z terraformowaniem Czerwonej Planety wymuszą opracowanie nowych, coraz efektywniejszych źródeł energii. Połączenie osiągnięć w obu tych dziedzinach przesunie pogranicze w zewnętrzne rejony Układu Słonecznego, a tamtejsze, jeszcze surowsze wymagania energetyczne i transportowe doprowadzą do powstania jeszcze doskonalszych technologii produkcji energii i napędu rakietowego. Najważ-

ZNACZENIE MARSJANSKIEGO POGRANICZA • 399

niejsze, by nie dopuścić do zahamowania rozwoju. Wystarczy na pewien czas spowolnić rozwój, a społeczeństwo spocznie na laurach i zacznie wrogo odnosić się do postępu. Taka właśnie sytuacja tłumaczy dzisiejszy kryzys amerykańskiego społeczeństwa. Nasze stare pogranicze przestało już istnieć. Pojawiają się pierwsze widoczne objawy zastoju. Mimo to postęp, choć coraz wolniejszy, wciąż trwa. Społeczeństwo amerykańskie jeszcze weń wierzy, niestety, instytucje rządowe nie umieją zadbać o dalszy rozwój cywilizacji.

W spuściźnie po trwającym ostatnie 400 lat renesansie po-siedliśmy najważniejszą umiejętność: potrafimy uczynić z Marsa nowe pogranicze. Jeśli zdolności tej nie wykorzystamy, wkrótce ją utracimy. Mars jest surową planetą. Marsjańscy osadnicy będą potrzebowali nie tylko technologii, lecz wiedzy naukowej, zdolności twórczych i inwencji, by dokonać nowych odkryć. Mars nie pozwoli się skolonizować ludziom wyrosłym w społeczeństwie statycznym, gdyż nie będą oni dysponowali potrzebnymi umiejętnościami - które my wciąż posiadamy. Mars czeka na dzieci dawnego pogranicza, ale nie będzie czekać wiecznie.

SŁOWNICZEK TERMINÓW

apogeum - Punkt orbity najbardziej oddalony od Ziemi.

BEIR - Biologiczne skutki promieniowania jonizującego (ang. Biological Effects oflonizing Radiation).

bezpośredni start - Start statku kosmicznego bezpośrednio z powierzchni jednej planety na inną, bez montażu statku na orbicie.

bezpośrednie wejście w atmosferę - Wtargnięcie statku kosmicznego w atmosferę w celu zmniejszenia prędkości i wylądowania bez wchodzenia na orbitę wokół planety.

ciśnienie atmosferyczne - Ciśnienie wywierane przez atmosferę. Na Ziemi na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi jeden bar, czyli jedną atmosferę lub tysiąc milibarów. 1 bar = 100 000 Pa (paskali) = 1000 hPa (hektopaskali), przy czym 1 Pa = l N/m2.

ciśnienie pary - Ciśnienie wywierane przez gaz emitowany przez substancję w danej temperaturze. Przy 100°C zaczyna się wrzenie wody, ponieważ ciśnienie pary wodnej w tej temperaturze jest równe ziemskiemu ciśnieniu atmosferycznemu.

Delta 2 - Rakieta nośna, wyprodukowana przez firmę McDonell Douglas, mogąca umieścić obiekt o masie 1000 kg na bezpośredniej trajektorii z Ziemi na Marsa.

AV - Różnica prędkości konieczna do przemieszczenia statku kosmicznego z jednej orbity na inną. Typowa wartość AV, wystarczająca do przejścia z niskiej orbity okołoziemskiej na trajektorię rejsową na Marsa, wynosi około 4 km/s.

dwuskładnikowy materiał napędowy - Rakietowy materiał napędowy, będący połączeniem paliwa i utleniacza, na przykład metan/tlen, wodór/tlen, nafta/nadtlenek wodoru itp.

egzotermiczność - Własność reakcji chemicznej, polegająca na wydzielaniu energii podczas jej zachodzenia.

elektroliza - Rozpad związku chemicznego, spowodowany przez prąd elektryczny. W rezultacie elektrolizy wody otrzymujemy wodór i tlen.

endotermiczność - Własność reakcji chemicznej, polegająca na konieczności dostarczenia energii do jej przeprowadzenia.

energia geotermiczna - Energia wytwarzana przez naturalne, podpowierzchniowe substancje o wysokiej temperaturze. Energia geotermiczna przetwarzana jest na energię elektryczną w wyniku przepuszczania przez turbogenerator gorącej cieczy.

EVA - Działania wykonywane na zewnątrz pojazdu, spacer kosmiczny (ang. Extra VehicularActivity).

gaz buforowy - Efektywnie obojętny chemicznie gaz, stosowany do rozcieńczania tlenu do postaci, która nadaje się do spalania lub oddychania. Na Ziemi rolę gazu buforowego pełni azot, stanowiący 80% atmosfery.

GCMS - Spektrometr masowy z chromatografem gazowym (ang. Goś Chromatograph Mass Spectrometer).

gęstość elektronów - Ilość elektronów w jednostce objętości. Im wyższa jest gęstość elektronów w jonosferze, tym lepiej odbija ona fale radiowe.

hamowanie atmosferyczne - Manewr statku kosmicznego, wykorzystujący tarcie o atmosferę planety, wykonywany w celu zmniejszenia prędkości podczas przechodzenia z orbity międzyplanetarnej na orbitę wokół planety.

hydrazyna - Rakietowy materiał napędowy o wzorze chemicznym N2H4. Hydrazyna jest paliwem jednoskładnikowym, co oznacza, że energia wydzielana jest podczas spalania bez konieczności stosowania utleniaczy.

impuls właściwy - Popęd właściwy silnika rakietowego to wyrażony w sekundach czas, przez jaki jeden funt materiału napędowego daje siłę ciągu jednego funta. Mnożąc popęd właściwy silnika rakietowego wyrażony w sekundach przez 9,8, otrzymujemy wartość prędkości gazów odrzutowych silnika rakiety w metrach na sekundy. Popęd właściwy uważany jest za najważniejszą charakterystykę rakiety, przesądzającą o wydajności silnika. Często stosuje się skrót Isp.

Isp - Powszechnie stosowany skrót impulsu właściwego (patrz: impuls właściwy).

jonosfera - Górna warstwa atmosfery planety, składająca się w znacznej części z atomów gazu po rozpadzie na swobodne naładowane dodatnio jony i naładowane ujemnie elektrony. Obecność swobodnie poruszających się, naładowanych cząstek powoduje, iż jonosfera może odbijać fale radiowe.

koniunkcja - Położenie planety w kierunku zbliżonym do Słońca podczas obserwacji z innej planety. Gdy Ziemia i Mars

leżą w koniunkcji, znajdują się po przeciwnych stronach Słońca.

kriogeniczny - Skrajnie zimny. Płynami kriogenicznymi są na przykład ciekły tlen oraz ciekły wodór, wymagające przechowywania w temperaturze, odpowiednio, -180°C i-250°C.

LEO - Niska orbita okołoziemska (ang. Low-Earth Orbit).

LOR - Spotkanie na orbicie okołoksiężycowej (ang. Lunar Orbital Randezvous).

MAY - Marsjański pojazd startujący (ang. Mars Ascent Yehicle).

meteoryty SNC - Meteoryty SNC zawdzięczają swoją nazwę miejscom, w których zostały znalezione (skrót od nazw miejscowości: Shergotty w Indiach, El Nakhla el Baharia w Egipcie i Chassigny we Francji). Na podstawie bardzo przekonywających badań chemicznych, izotopowych i geologicznych są uważane za szczątki marsjańskich skał, wybitych z Marsa przez uderzenia innych meteorytów.

misja koniunkcyjna - Misja międzyplanetarna po trajektorii obejmującej odcinek mniej więcej połowy drogi wokół Słońca (kąt rozwarcia bliski 180°). Misje koniunkcyjne charakteryzują się najniższym zużyciem paliwa.

misja opozycyjna - Misja międzyplanetarna po trajektorii w pełni lub prawie okrążającej Słońce (kąt rozwarcia bliski 360°), z zastosowaniem manewru przyspieszającego, polegającego na wejściu do wewnętrznej części Układu Słonecznego. Wyprawy opozycyjne wymagają największych ilości paliwa rakietowego.

MOR - Spotkanie na orbicie okołomarsjańskiej (ang. Mars Orbital Rendezuous).

MSR - Misja przywiezienia na Ziemię próbek Marsa (ang. Mars Sample Retum).

MSR-ISPP - Przywiezienie próbek z Marsa z wykorzystaniem paliwa wyprodukowanego na Czerwonej Planecie.

NEP - Elektryczny jądrowy napęd rakietowy.

NIMF - Rakieta o napędzie jądrowym, wykorzystująca paliwo wyprodukowane na Marsie (ang. Nuclear Rocket Using Indige-nous Martian Fael).

NTR - Rakieta o termicznym napędzie jądrowym (ang. Nuclear Thermal Rocket).

operacje z wykorzystaniem telerobotów - Zdalne sterowanie pewnych urządzeń, na przykład niewielkich marsjańskich roverów, wyposażonych w kamery telewizyjne, przez ludzi, znajdujących się w dużej odległości od nich.

opozycja - Położenie planety w przeciwnym kierunku niż Słońce podczas obserwacji z innej planety. Podczas opozycji Ziemia i Mars znajdują się po tej samej stronie Słońca.

osłona aerodynamiczna - Osłona o opływowym kształcie, chroniąca ładunek umieszczony w najwyższej części startującej rakiety.

osłona atmosferyczna - Osłona termiczna, zapobiegająca przegrzaniu statku podczas hamowania atmosferycznego.

perygeum - Najniższy punkt orbity wokół Ziemi.

piroliza - Rozpad związku chemicznego spowodowany przez ciepło.

promienie kosmiczne - Cząstki, na przykład jądra atomowe, lecące z bardzo dużą prędkością w przestrzeni kosmicznej. Promienie kosmiczne powstają na zewnątrz Układu Słonecznego. Zwykle mają energię sięgającą miliardów elektronowoltów, a do ich powstrzymania konieczne są osłony betonowe grubości wielu metrów.

przejściowa orbita Hohmanna - Orbita eliptyczna o jednym z końców stycznym do orbity planety wyjściowej i drugim stycznym do orbity planety docelowej. Orbita Hohmanna stanowi najczystszy przykład orbity klasy koniunkcyjnej i wyznacza tor lotu z jednej planety na inną, wymagający najmniejszych ilości energii.

prędkość hiperboliczna - Prędkość statku kosmicznego względem planety przed wejściem w zasięg pola grawitacyjnego planety lub po efektywnym jego opuszczeniu; zwana również prędkością zbliżenia lub prędkością końcową.

prędkość hipersoniczna - Prędkość wielokrotnie przekraczająca prędkość dźwięku; za hipersoniczne uważa się zwykle prędkości większe niż 5 Machów.

prędkość gazów odrzutowych - Prędkość gazów wyrzucanych z dyszy rakietowej.

reakcja metanizacji - Chemiczna reakcja wytwarzania metanu. W projekcie Mars Direct planuje się wykorzystanie reakcji Saatiera (reakcji wodoru z dwutlenkiem węgla) prowadzącej do powstania metanu i wody.

reakcja Sabatiera - Reakcja wodoru z dwutlenkiem węgla, prowadząca do powstania metanu i wody. Reakcja Sabatiera jest reakcją egzotermiczną, o wysokiej wartości stałej równowagi.

regolit - Produkt wietrzenia skał.

rem - Amerykańska jednostka dawki promieniowania. 100 re-mów równa się l siwertowi, jednostce stosowanej w Europie

(l siwert = l J/kg). Panuje opinia, że dawka promieniowania 60-80 remów może u człowieka zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia w dalszej części życia śmiertelnej formy raka o około 1%. Typowa wartość ziemskiego tła promieniowania wynosi około 0,2 rema rocznie.

rozbłysk słoneczny - Nagła erupcja na powierzchni Słońca, powodująca czasem emisję ogromnych ilości promieniowania elektromagnetycznego i cząstek naładowanych elektrycznie w przestrzeń międzyplanetarną.

RTG - Radioizotopowy generator termoelektryczny (ang. Radio-isotope Thermoelectric Generator).

RWGS - Odwrócona reakcja przemiany woda-gaz (ang. Reuerse Water-Gas Shift Reactian).

równowaga nietrwała - Patrz: równowaga trwała.

równowaga trwała - Sytuacja równowagi, w której po wytrąceniu przez siłę zewnętrzną układ wraca do wcześniej zajmowanego położenia. Kula na szczycie wzgórza znajduje się w położeniu równowagi nietrwałej, gdyż pchnięcie jej w dół powoduje oddalanie się od szczytu z rosnącą prędkością. Kula we wgłębieniu znajduje się w położeniu równowagi trwałej, ponieważ pchnięta wraca do zajmowanego położenia.

Saturn 5 - Ciężka rakieta nośna; została wykorzystana do wysłania na Księżyc astronautów na pokładzie statku Apollo. Saturn 5 był w stanie umieścić na LEO ładunek o masie około 140 ton.

SEI - Inicjatywa Badań Kosmicznych (ang. Spocę Exploration In-itiative).

siła ciągu - Siła wywierana przez silnik rakiety, przyspieszająca startujący statek kosmiczny.

soi - Marsjański dzień (1/24 marsjańskiej doby); liczy 24,6 godziny.

SRB - Rakietowy silnik wspomagający na paliwo stałe (ang. Solid Rocket Booster).

SSME - Silnik główny promu kosmicznego (ang. Space Shuttle Main Engine).

SSTO - Jednostopniowy statek kosmiczny wielokrotnego użytku (ang. Single-Stage-To-Orbit).

statek ERV - Statek służący do powrotu na Ziemię (ang. Earth Retum Yehicle).

stała równowagi - Wielkość charakteryzująca stopień, w jakim zaszła reakcja chemiczna do momentu uzyskania równowagi chemicznej. Bardzo wysoka wartość stałej równowagi świadczy o prawie całkowitym przeprowadzeniu reakcji.

skala Kelwina - Służąca do pomiaru temperatury, zwana także skalą bezwzględną, przyjmuje za zerowy punkt tzw. zero bezwzględne, czyli temperaturę, przy której ciało w ogóle nie ma ciepła. Temperatura 273 kelwinów (273 K) odpowiada 0°C (w skali Celsjusza), temperaturze zamarzania wody. Różnica temperatur wynosząca l K odpowiada różnicy 1°C.

szybka misja koniunkcyjna - Misja typu koniunkcyjnego (patrz: misja koniunkcyjna) z wykorzystaniem dodatkowej ilości paliwa w celu skrócenia czasu lotu.

STR - Rakieta o termicznym napędzie słonecznym (ang. Solar Thermal Rocket).

TMI - Umieszczenie statku kosmicznego lub transportowego na międzyplanetarnej trajektorii rejsowej Ziemia-Mars (ang. Trans-Mars Injection).

trajektoria minimalnego zapotrzebowania na energię - Trajektoria łącząca dwie planety, wymagająca najmniejszej ilości paliwa rakietowego (patrz: przejściowa orbita Hoh-manna).

trajektoria swobodnego powrotu - Powrót na Ziemię po tej trajektorii nie wymaga po opuszczeniu Ziemi użycia żadnych materiałów napędowych.

Tytan 4 - Rakieta nośna z możliwością rozbudowy, skonstruowana przez Lockheed Martin Corporation, zdolna umieścić ładunek o masie 20 tysięcy kg na LEO lub 5000 kg na trajektorii minimalnego zapotrzebowania na energię z Ziemi na Marsa.

wsparcie grawitacyjne - Manewr polegający na wykorzystaniu pola grawitacyjnego planety, w pobliżu której przelatuje statek kosmiczny, do wytworzenia efektu katapulty, zwiększającego prędkość statku bez użycia materiałów napędowych.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

Mars jako planeta

M. Carr: The Surface oj Mars, Yale University Press, New Ha-ven 1981. Najlepsze dotychczas wprowadzenie w tematykę marsjańską.

H. Kieffer, B. Jakowsky, C. Snyder i M. Mathews: Mars, Uni-versity of Arizona Press, Tuscon 1992. Zbiór 114 prac autorstwa prawie całej czołówki naukowców zajmujących się badaniem Marsa. Wyczerpująca książka, lecz napisana dość specjalistycznym językiem.

M. Carr: Water on Mars, Oxford University Press, Nowy Jork 1996. Dobrze napisana książka, wykorzystująca najnowsze dane, skoncentrowana na temacie wody na Marsie - w przeszłości i obecnie.

Wyprawy na Marsa

P. Boston: The Casefor Mors, tom 57, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Die-go 1984.

C. McKay: The Casefor Mars II, tom 62, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego 1985.

C. Stoker: The Casefor Mars III, tomy 74 i 75, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Uni-velt, San Diego 1989.

Trzy powyższe pozycje stanowią materiały z trzech pierwszych konferencji Case For Mars. Materiały z kolejnych konferencji, Case For Mars IV i Case For Mars V, mają ukazać się, odpowiednio, latem 1996 i na przełomie 1996/97, pod redakcją T. Meyer i P. Boston. Ponadto Univelt planuje wydać wkrótce zbiór artykułów na temat nowych koncepcji badań Marsa, zaczerpniętych z „Journal of the British Interpla-netary Society", pod redakcją R. Zubrina. Inne użyteczne wiadomości można odnaleźć w: C. Stoker i C. Emmett: Stra-tegies for Mars: A Gnidę to Human Exploration, tom 86, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego 1996; oraz D. Reiber: The NASA Mars Conference, tom 71, Science and Technology Series of the American Astronautical Society, Univelt, San Diego 1988.

Jeśli Czytelnik byłby zainteresowany sięgnięciem do wymienionych prac, powinien skontaktować się z wydawnictwem Univelt, Inc., zwracając się pod następujący adres: Uni-velt, Inc., P.O. Box 28130, San Diego, CA 92198, USA.

Marsjański folklor

J. Wilford: Mars Beckons, Alfred Knopf, Nowy Jork 1990.

Literatura w języku polskim

A. C. Clarke: Śniegi Olimpu. Ogród na Marsie. Ilustrowana historia kolonizacji Marsa, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997.

R. H. Haynes: Ecce ecopoiesis, czyli zabawa w Pana Boga na Marsie, „Wiedza i Życie", nr 11-12/1990.

J. Kargel, R. G. Strom: Globalna zmiana klimatu na Marsie, „Świat Nauki", nr 1/1997.

H. Y. McSween, Jr.: Od gwiezdnego pylu do planet Geologiczna podróż przez Układ Sloneczny, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.

C. Sagan: Błękitna kropka. Czlowiek i jego przyszłość w kosmosie, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.

INDEKS

Albrecht, Mark 360

Aldrin, Buzz 76, 307, 382

Amundsen, Roald 40-2, 128

Andrews, Dana 320

Apollo 11, statek 76

Apollo 13, statek 124

Apollo, misja 11-12, 78, 89, 93, 108, 117-8, 129-130, 146, 193, 198, 200, 204, 358-9, 361, 363-5

Ares 24, 28-32, 36, 96-100, 104, 130, 374

Arione 366

Armstrong, Neil 76

Arystarch z Samos 46, 48

Arystoteles 47

Ash, Robert 73, 96, 210

Austin, Gene 101

Baker, David 86, 88-91, 96-102, 112, 130, 295

Ballhaus, Bili 103-4

Barth, Charles 109

Beagle, statek kosmiczny 28-32

Borowski, Stan 151-2

Boston, Penelope 109-110

Boyd, Robert 237

Bradford, William 288

Brane, Tycho de 47, 69

Braun, Wernhervon 79, 103, 150, 382

Breton, Pierre 40

Bruckner, Adam 259

Bruno, Giordano 44-5, 47

Burroughs, Edgar Rice 52

Bush, George 76-7, 112, 358-360

Case for Mars, konferencje 110-3

Cassini, Giovanni 50

Ceres 300-2

Chandler, David 101

Chryse Planitia 43, 60, 206

Clark, Ben 84-7, 100, 110

Clark, W. 27

Clarke, Arthur C. 7-9, 53

Clementine 261

Collins, Mikę 76

Columbio, moduł załogowy 76

Coons, Steven 259

Coprates 55

Greeley, Horace 251

Griffin, Mikę 103-4

Darwin, Charles 28

David, Leonard 60, 110-111

Day, Dwayne 359

Dejmos 51, 222-3

Delta 2 67, 71, 73, 74

DC-X 155, 373

Duke, Mikę 105

Early, Sid 96

Ehricke, Krafft 153

Eisenach, Jeff 369-370, 380

Energia 130, 155, 366, 373

Energia-B 130

Fobos 51, 222-3

Fobos l i 2 64

Fogg, Martyn 279, 281

Fontana, Francesco 50

Forward, Robert 178

Franklin, Benjamin 207

Franklin, John 40-2

French, Jim 73, 92

Friedman, Louis381

Galileo 255

Galileusz 43, 45, 49, 69

Garver, Lori 382

Gates, Bili 374

Gaubatz, Bili 155

Gingrich, Newt 369-370, 375, 380

Goddard, Robert 53

Goldin, Dań 104, 360

Gore, Al 380

Hali, Asaph 51

hamowanie atmosferyczne 29, 86, 91-92, 98, 132-3

handel międzyplanetarny 294-304

Hawksbee, Francis 206

Hegel, Georg Wilhelm Friedrich 90

hermeza radiacyjna 165

Herschel, William 50

Hohmann, Walter 115

Horowitz, Norman 59, 61

Hoyt, Bob 178

Huygens, Christiaan 50

Hudson, Gary 155

Hunter, Max 155-6

impuls właściwy (Isp) 95

Inicjatywa Badań Kosmicznych (SEI) 77-84, 101, 103, 358-360

Johnson, Lyndon B. 364

Jowisz 49, 298-9

kalendarz marsjański 227-232

kanały na Marsie 51-53

Kapłan, David213

Kelly, Kevin 360

Kennedy, John F. 89, 358-9, 363-4

Kepler, Johannes 43, 46-9, 52, 69, 318, 354

Kolumb, Krzysztof 149, 384, 398

Kopernik, Mikołaj 46, 48, 69

Levin, Gilbert61

Lewis, John 298-9

Lewis, Meriwether 27

Lindbergh, Charles 370

Lłnne, Dianę 73

Lowell, Percłval 51-3, 250

MacKenzie, Bruce 236, 239

Magellan 86, 142

Malthus, Thomas 396

Mandell, Humbolt „Hum" 105

Mariner, misja 53-56, 123, 129, 184, 186, 196, 216, 231

Marks, Karol 360

Mars

- atmosfera 26, 50, 53, 62, 92, 184-5, 325-9

- bazy 233-287, 288

- - utrzymywanie łączności 215-9

- burze pyłowe 183-6

- globalne ocieplenie 344-350

- - freony 346-7, 350

- - lustra na orbicie 344-6, 351

- - metody biologiczne 348-350

- hodowla roślin 260-7

- hutnictwo 268-274

- kolonizacja 286-7, 288-324

- księżyce, patrz: Dejmos, Fobos

- modele klimatu 330-1

-nawigacja 219-223

- orbita okołostoneczna 114-6

- pierwsze obserwacje 50-52

- powierzchnia 195

- produkcja

- - energii 274-282

--paliwa 205-215

- - szkła i materiałów ceramicznych 249

- - tworzyw sztucznych 245-8

- terraformowanie 325-357

- transport na powierzchni 199-205, 225-7, 282-6

- uzyskiwanie wody 250-260

- wczesny klimat 196

- zaludnianie 304-311

- źródła geotermiczne 282

Mars Global Surueyor 65-66, 220

Marsjańskie Podziemie, patrz: Mars

Underground Mars Observer 65, 231

Morsochod 66, 75

Mors Pathfinder 65, 133, 230

Mors Sample Retum Mission 70

Mors Semi-Direct, misja 104-7

Mors Surueyor '98 133

Mors Underground 108-113

Mors 21355, 184, 231

Mors 94, patrz: Mars 96

Mars 96 7, 66

Mors 98 66, 68

McElroy, Jim 213

McKay, Chris 108-110, 259-260, 330, 332, 335

Mercury, program 89

meteoryty SNC 187-8, 237, 254, 274

Meyer, Tom 109-110, 259-260

Mikulski, Barbara 360

Miller, Jon D. 361-2, 381

Milton, John 353

misja koniunkcyjna 115-6, 118-120, 123-6, 171

misja opozycyjna 116, 118-123, 171-2

Muncy, Jim 383

Murray, Bruce 381

Murray, Robert 99

Napoleon Bonaparte 290, 360

Napoleon III 360

NERYA, program 150-1, 304

Newton, Izaak 49

nieważkość 173-180

Nix Olympica, patrz: Olympus Mons

Nixon, Richard 89

Oberth, Herman 53

Olympus Mons 55-56

O'Neill, Gerard 261, 382

orbita przejściowa Hohmanna 115-6, 118-9

organizmy marsjańskie 58-64, 186-190

Prom Z 90-91, 93, 96, 98

Ptolemeusz, Klaudiusz 45-6

rakiety nośne 90. 91, 96-97, 130-2

- ciężkie 130, 304-5, patrz także: Energia, Saturn 5

- jednostopniowe wielokrotnego użytku 149, 155-9, 307

Ramohali, Kumar 73, 210

Raport 90-dniowy 77-85, 87-88, 102, 106, 120, 132, 138, 359, 372

Reagan, Ronald 111

regolit 328, 334-6. 339-343

rozbłysk słoneczny 168-9, 17

Rudolf II 47

Paine, Thomas O. 111, 193

Perykles 384-5

Pioneer-Yenus H2 108

Pioneer Yenus Orbiter 178-9

Pioneer Yenus Próbę Carrier 178-9

planetoidy, patrz także: Ceres

- bliskie Ziemi 299

- pas 298-304

Pollack, James 348

prawa Keplera 48-49

prędkość hiperboliczna 117, 160-2

Price, Steve86, 213

Prom C 91,98, 155, 374

promieniowanie kosmiczne 168-170

prom kosmiczny 91, 108, 130, 142, 153, 178, 200, 271, 359

Sagan, Carl 112, 348, 363, 366-8, 380-1

Saturn 5 24,87,90-91, 101, 117, 130, 134, 148, 304

Schallenmuller, Al 85,

100, 103

Schiaparelli, Giovanni 51

Sojoumer 66, 75

soi 50, 227

Spencer, Bob 99

Sridhar, K. R. 210

stacja kosmiczna 101-2, 173, 359, 367

- FreedomSl

- Mir 174, 367

- Skylab 108, 130, 174, 193, 204, 238

Staehle, Robert 319

Stafford, Thomas 102

Stoker, Carol 109-110, 112

stromatolity 196

Syrtis Major 50

Quayle, Dań 360

termiczny napęd jądrowy (NTR) 88-89, 92, 121, 150-5, 317, 322-4

Tharsłs 56, 219, 280

Thompson, Al 86

transport międzyplanetarny 315-324

Truły, Richard 359-360

Truth, Sojoumer 66

Tumlinson, Rick 383

Turner, Frederick Jackson 387-9

Tytan 4 70-71, 74

Uran 50

Utopia Planitia 60

Yalles Marineris 56, 196

Yiking, misja 36-37, 43-44, 53, 57-62, 64, 66, 69, 70, 85, 109, 129, 146, 187, 197, 237, 253, 264, 266

- poszukiwanie życia na Marsie 58-64, 187, 197

- Yiking l 43, 58, 60, 64, 185, 249

- Yiking 2 60, 64, 185, 249

Voyager, misja 108, 255

V-2 95, 153

Wagner, Richard 20

Walker, Charles 382

Walker, Robert 359

Weaver, David 104, 106, 213

Webb, Walter Prescott 397

Welch, Steve 109-110

Wells, Herbert George 9, 235

Wenus 108, 120, 122, 140, 142, 196, 222, 348

Wilcockson, Bili 86, 98

Williams, John 259

Wilson, Roger 110

Worden, Pete 155, 360

X-33 155-6

załogowy lot na Marsa

- model Gingricha 363, 369-380

- model J.F.K. 363-5

- model Sagana 363, 366-9

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Czas Marsa R Zubrin R Wagner
CZAS WOLNY(1)
Czas w kulturze ped czasu wolnego
czas
czas pracy maszynistówa bezpieczenstwo kolejowe KTS
Czas przyszły
Czas nie istnieje, to iluzja – twierdzą (niektórzy) fizycy cz 2
Gately, Ed Cena i Czas zarys metod analizy technicznej
Nadszedł czas, by Michnik nauczył się żyć w demokracji
Dla wyznawcow Chrystusa nastaje coraz trudniejszy czas, ► Dokumenty
Czas wolny, pedagogika
Lekcja 5 Czas Past Simple, lekcje
Umowa na czas wykonania określonej pracy, administracja, prawo pracy, Semestr II
Przedświąteczny rachunek sumienia, Bałagan - czas posprzątać i poukładać
Blessing in disguise(1), Fanfiction, Blessing in disguise zawieszony na czas nie określony, Doc
socjologia - czas w społeczeństwie, Socjologia ogólna
Franz Stanzel - Sytuacja narracyjna i epicki czas przeszły, Kulturoznawstwo, literaturoznawstwo