Može li uz tehnologiju ljudska misija na Mars preživjeti radijaciju i teške životne uvjete?

Mars mnogi smatraju planetom koji je po mnogim karakteristikama vrlo sličan Zemlji. Ali iz perspektive održavanja života to ne može biti dalje od istine. Promjer Marsa je samo 53 posto Zemljinog promjera, masa svega 15 posto Zemljine, magnetsko polje tek 0,2 posto jačine Zemljinog polja, a površinski pritisak je čak 100 puta manji nego na Zemlji.

Temperaturni ekstremi se zbog toga kreću u rasponu od 22°C (na ekvatoru tijekom ljeta), do -153°C (u polarnim krajevima tijekom zime). Atmosfera se sastoji od ugljičnog dioksida (95,3%), dušika (2,7%), argona (1,6%) te ostalih plinova u tragovima (poput kisika, ugljičnog monoksida i vodene pare). Za ljudsko tijelo su već i to ekstremni uvjeti. Ipak, zahvaljujući tehnologiji koja nam je već danas na raspolaganju oni, nasreću, nisu nepremostivi.

Putovanje na Mars kao ‘radijacijska’ kupka

Pravi problemi u osvajanju Marsa leže negdje drugdje. Prvi od njih je radijacija s kojom će se astronauti susresti izvan zaštitnog zemljinog magnetskog polja. Kombinacija visokoenergetskih solarnih čestica i pozadinskog zračenja iz svemira mogla bi pretvoriti put i život na Marsu u pravu ‘radijacijsku’ kupku. Već i jednosmjerno putovanje do Marsa, u letjelici bez odgovarajućih radijacijskih štitova, ozračilo bi astronaute kao i 5.000 uzastopnih RTG snimki prsnog koša. Nerealno je očekivati kako će letjelica za put prema Marsu moći biti opremljena standardnim radijacijskim štitovima poput onih koji se trenutno koriste na Zemlji u visokoradijacijskim okruženjima. Težina takvog olovnog ili vodenog radijacijskog štita bi uvelike poskupila cijenu misije zbog dodatne količine goriva potrebnog prilikom lansiranja.

Sve nade se stoga polažu u razvoj novih materijala koji bi imali bolji omjer težine i sposobnosti zaustavljanja radijacije. Veliki napredak na ovom polju mogao bi predstavljati tzv. BNNTs (Boron Nitride Nanotubes) materijal. Dobro upija radijaciju te je dovoljno čvrst i lagan za primjenu u izradi oplata i radijacijskih štitova. Uz dodatnu obradu od njega se mogu napraviti i fleksibilne niti, što ga čini pogodnim za izradu svemirskih odijela i nastambi za boravak na Marsu. Materijal je još uvijek u razvoju, ali dosadašnji su rezultati vrlo ohrabrujući. Druga mogućnost zaštite od radijacije bi bilo kreiranje lokaliziranog elektromagnetskog štita oko letjelica ili nastambi. Nažalost, da bi to postala opcija vrijedna razmatranja, potrebno je prvo učinkovito riješiti iznimno velike energetske zahtjeve takvog rješenja.

Nimalo laki životni uvjeti

Za razliku od samog putovanja do Marsa, život na njemu bio bi donekle podnošljiviji. Zahvaljujući podacima koje je poslao Curiosity Rover, danas imamo pouzdane informacije o razinama radijacije na površini planeta.

Upside: I got a mission extension! There's so much more to explore. #JourneytoMars https://t.co/vPXUmmiTyj pic.twitter.com/KwuvQYJbdM

— Curiosity Rover (@MarsCuriosity) July 6, 2016

Kada će se nastambe (uslijed rotacije planeta) nalaziti na strani okrenutoj od Sunca, sâm Mars će zaustavljati veći dio zračenja. No visokoenergetske solarne čestice i dalje će predstavljati veliki problem. Mars jednostavno nema dovoljno jako magnetsko polje, kao ni dovoljno debeli atmosferski omotač koji bi im mogao dostojno parirati. U obzir također treba uzeti velike oscilacije u razinama zračenja koje se događaju na tjednim i mjesečnim razinama, te postojanje svojevrsne komponente sezonskih oscilacija zračenja koje se izmjenjuju u pravilnim intervalima.

Situaciju ne poboljšava činjenica da visokoenergetske solarne čestice i pozadinsko zračenje pri sudarima s česticama u marsovskom tlu mogu stvarati opasne nusprodukte u vidu gama zraka i neutrona. Oboje su vrlo učinkoviti u uništavanju molekularnih veza unutar organskih tvari. Stoga je adekvatna zaštita astronauta i nastambi na Marsu jednako nužna kao i zaštita letjelice kojom bi se putovalo do njega. Konstantno praćenje razina radijacije u okolini i vlastitim tijelima bit će jedan od primarnih zadataka astronauta, kako tijekom putovanja do Marsa, tako i tijekom cijelog boravka na njemu.

Slati mušku ili žensku posadu?

Drugi problem predstavlja težina. Slanje ljudske misije na Mars zahtijeva pažljivo balansiranje omjera težine tereta kojeg je potrebno ponijeti te količine goriva potrebnog za obavljanje misije. U NASA-i ozbiljno promišljaju o tome je li ekonomičnije na Mars poslati žensku ili mušku posadu. Ženski astronauti u pravilu imaju manje zahtjeve prema misiji (volumen, težina i energija potrebna za normalno obavljanje zadataka) od muških kolega. Posljedično trebaju i znatno manje zaliha hrane te manji životni prostor. Kako se kod svemirskih misija broji svaki gram i cm3, to nisu zanemarivi detalji. Tijekom NASA-inog Hawaii Space Exploration Analog and Simulation eksperimenta (razne faze eksperimenta traju od 2013. godine do danas) utvrđeno je kako ženski astronauti u prosjeku troše ispod 2.000 kalorija po danu.

Kod muških astronauta ta je brojka u pravilu uvijek bila iznad 3.000 kalorija po danu. Potrošnja kalorija ipak nije jedini faktor kojeg je potrebno uračunati. Ženska je fizionomija značajno inferiornija muškoj kada je u pitanju otpornost na radijaciju. Podaci s kojima trenutno raspolažemo pokazuju kako već šestomjesečan boravak na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) astronaute izlaže 40 puta većoj dozi pozadinske radijacije od one koju bi u istom vremenu primili na Zemlji. U obzir treba uzeti i činjenicu da je granica dozvoljene razine radijacije za žene čak 20% niža od one za muškarce. S obzirom na sve probleme koje će radijacija stvarati astronautima, dulja otpornost na istu mogla bi se pokazati ključnom.

Koliko će trajati misija?

Treći problem je vremensko trajanje misije. Znamo da jednosmjerno putovanje na relaciji Zemlja – Mars može varirati između 5 i 10 mjeseci. Točna brojka prvenstveno ovisi o relativnom položaju planeta u trenutku lansiranja te brzini kojom bi se letjelica kretala. Pod pretpostavkom da se lansiranje uskladi s optimalnim položajem planeta, jedina opcija za daljnje skraćivanje vremena putovanja je postizanje veće brzine letjelice. To možemo postići samo ako potrošimo više goriva za ubrzanje. No i to gorivo ima svoju težinu koju bi bilo potrebno podići sa Zemlje. Ako stavimo na stranu strukturalne poteškoće dizajniranja i konstruiranja rakete koja bi mogla ponijeti potrebne količine goriva za postizanje većih brzina kretanja, uz svu ostalu opremu potrebnu za izvršenje misije, i dalje ostaje veliko pitanje ekonomske (ne)isplativosti takvog scenarija.

Treba imati na umu kako je količina opreme i zaliha potrebnih za ljudski boravak na Marsu znatno veća nego što je to bilo potrebno za robotizirane misije. Ljudi trebaju hranu, odjeću, lijekove, higijenske preparate, svemirska odijela, sprave za vježbanje, itd. Tu je još mnogo drugih ‘ljudskih’ komponenti iz svakodnevnog života koje će biti neophodni za život na Marsu – poput laptopa, pisača, papira, stolova, stolica ili kreveta.

Energetski zahtjevi su također znatno veći nego što je to slučaj s robotima. Astronautima je potrebno osigurati sustave za održavanje života, filtraciju i elektrolizu vode, klimatizacijske sustave, adekvatnu rasvjetu, zabavu, itd. Uz sve to potrebno je uračunati i redundanciju svih važnih sustava. Na Marsu neće biti moguće otići do prvog servisa u slučaju da neki sustav neplanirano otkaže, a dostava rezervnih dijelova sa Zemlje trajala bi koliko i prvotno putovanje. Svi ti faktori znatno povećavaju ukupnu težinu tereta kojeg bi takva raketa trebala ponijeti sa sobom.

Više stadija misije

U tom kontekstu brzo putovanje do Marsa pomoću jedne letjelice trenutno predstavlja malo vjerojatan scenarij. Puno je realnije očekivati kako će misija na Mars biti podijeljena u više stadija. U takvom scenariju, prvo bi se na Mars poslale osnovne nastambe i prateći podsustavi. Njihovim sklapanjem i najvažnijim funkcijama moglo bi se, bez većih problema, upravljati sa Zemlje. Sljedeći niz lansiranja dopremio bi do Marsa svu opremu potrebnu za život astronauta i istraživanje planeta. Tek bi u završnoj fazi uslijedila misija s ljudskom posadom. U nekim proširenim scenarijima se, kao međukorak, prvo predviđa izgradnja svemirske stanice u orbiti oko Marsa. Ona bi služila kao baza za sve daljnje površinske misije. Hoće li takva svemirska stanica doista biti uključena u operativni plan teško je u ovom trenutku točno prognozirati.

Ono što je gotovo sigurno je da će sve faze lansiranja opreme i ljudske posade, prvenstveno radi uštede goriva, koristiti putanje koje se mogu aproksimirati Hohmannovim modelom transferne orbite. Hohmannova transferna orbita opisuje najučinkovitiji način za putovanje između dva tijela koja imaju kružne putanje smještene na istoj prostornoj ravnini. Bazira se na dvoimpulsno-definiranoj krivulji koju je, još davne 1925. godine, predložio njemački inženjer Wolfgang Hohmann. Otada je svoju primjenu našla u velikom broju svemirskih misija. Prema tom modelu najučinkovitiji put do Marsa nije ravna linija, nego orbitalna putanja koja se u određenom trenutku presijeca s Marsovom orbitalnom putanjom oko Sunca. Sličan princip, samo u obrnutom smjeru, vrijedi i pri povratku na Zemlju. Iako se odabirom Hohmannove transferne orbite osiguravaju značajne uštede goriva, vrijeme putovanja se produljuje. 

Velika očekivanja

Zbog čega su težina tereta, količina potrebnog goriva i analize jesu li muški ili ženski astronauti otporniji na radijaciju toliko važni? S obzirom na ukupno trajanje puta do Marsa i natrag te kompleksnosti misije, sa znanstvenog i ekonomskog stajališta bilo bi potpuno neisplativo organizirati kratkoročnu misiju. Ponavljanje modela prvog spuštanja na Mjesec nije nimalo izgledno. Tada je primarni cilj bio vojno-političke prirode i svodio se na razvijanje zastave, ostavljanje otiska stopala na površini i povratak na Zemlju. Od misije na Mars očekuje se puno više. Postoje čak i vrlo ozbiljni scenariji prema kojima bi takva misija trebala trajati barem nekoliko godina. Najpoznatiji među njima je vjerojatno onaj kojeg je 2015. godine predstavio Buzz Aldrin u suradnji s Florida Institute of Technology. Predviđeno vrijeme misije u tom scenariju iznosi čak 10 godina.

Što će biti potrebno za dugoročnu misiju na Mars, kako se nositi sa svim izazovima na crvenom planetu, što NASA poduzima da riješi neke od njih? Više o tome u idućem nastavku…