Vejen til Mars er brolagt i Lunar Rock (Op-Ed)

Supermåne over Pennsylvania

Astrofotograf Bill Simbeck tog dette billede af supermånen over det nordvestlige Pennsylvania den 22. juni 2013. (Billedkredit: Bill Simbeck)



Paul D. Spudis er ekspert på planetarisk geologi og fjernmåling ved Lunar and Planetary Institute i Houston. Denne artikel blev tilpasset fra hans indlæg ' Risikofyldt forretning: ISRU og den kritiske vej til Mars 'på hans Spudis Lunar Resources blog. Han bidrog med denne artikel til demokratija.eu's Ekspertstemmer: Op-Ed & Insights .



Ved undersøgelsen af ​​de planer, NASA udtænker for menneskelige missioner ud over lav jordbane, er in-situ ressourceudnyttelse (ISRU) eksperimenter eller demonstrationer undertiden inkluderet-men aldrig inkorporeret i-missionens sekvens, eller hvad ingeniører kalder 'den kritiske vej'. ' ISRU betyder ganske enkelt, at du laver ting, du har brug for i rummet, fra ressourcer, der er tilgængelige i rummet.

På nuværende udviklingsniveauer vil sådanne ting stort set bestå af materialer med høj masse og lav information, såsom drivmiddel og afskærmning. Ved at reducere mængden af ​​masse, der blev lanceret fra Jorden ved brug af ISRU -teknikker, ville USA spare mange milliarder dollars af sit begrænsede pladsbudget . Så hvorfor hører offentligheden ikke mere om dette?



Bestemt intet i kemien eller fysikken i ISRU indikerer, at det er umuligt eller urimeligt futuristisk- de fleste processer dateres tilbage til antikken (f.eks. Smeltning af is til vand) eller senest til industriel kemi fra 1700- og 1800-tallet (f.eks. Carbothermal reduktion). Men ingen har faktisk forsøgt ISRU med udenjordiske materialer og ægte hardware i rummet. Med andre ord har rumfartsingeniører ikke gjort det; for dem er konceptet mere fra science fiction. ('Sæt replikatorerne på oksesteg i aften, Mr. Sulu!'). De forestiller sig reaktivt potentielle katastrofer som følge af indsatsen, frem for at sætte pris på dens mulige fordele.

Ingeniører har en tendens til at være forsigtige, når de udfører nye designs, der indeholder uprøvede teknikker, og i tilfælde af menneskelig rumflyvning burde de være det. Men når forsigtighed holder dig låst inde i en komfortzone, vil initiativ og programmer forringe og ødelægge USA ' rumfremgang. [ Moon Base Visions: Sådan bygger du en månekoloni (fotos) ]

For flere år siden havde Bob Zubrin, min ven og engang modstander af offentlig debat, en vigtig indsigt. Når du tager alt, hvad du har brug for, med dig fra Jorden for at komme til Mars, kan den masse, du sender til kredsløb, være uoverkommelig (konsekvenser fra raketligning gang den brutto afgangsvægt med et stort beløb); det koster tusindvis af dollars pr. pund for levering til lav-jord-bane (LEO). Hvis du ikke medbringer brændstoffet til hjemrejsen, er din afgangsmasse meget lavere. Til turen hjem, Zubrin's Mars Direct -arkitektur anvender raketdrivmiddel fremstillet på Mars -overfladen. I ét fald reducerede han mængden af ​​masse, der var nødvendig i LEO for at gå til Mars med mere end 50 procent - et betydeligt fund.



Den nuværende NASA Mars Design Reference Mission anvender otte lanceringer af et super tungt løftevogn (150 tons eller 136 tons til LEO) til at konstruere 500 tons (454 tons) Mars-fartøjet i jordens kredsløb. (En anden analyse projekterer 10 til 12 lanceringer.) Mere end 80 procent af denne masse er drivmiddel. Hvis tunge løftebiler ender med at koste et par milliarder dollars hver, er omkostningerne ved en menneskelig Mars-mission ikke kun uoverkommelige, men så meget, at den aldrig vil blive gennemført.

Og tro ikke det hellige New Space 'billig adgang' til LEO vil redde dig enten: Disse køretøjer er for små (deres nyttelast er meget mindre end 150 tons) og skal bruge drivmiddel, der kan opbevares, fordi flydende oxygen-flydende hydrogen (LOX-H2) kryogener vil koge væk i rummet mellem deres individuelle opsendelser. Drivstoffer, der kan opbevares, har meget mindre energi end LOX-H2og således udover kompleksiteten i logistisk samling fra et større antal flyvninger, multiplicerer den samlede nødvendige masse i LEO skræmmende.

Ingeniører er tilbageholdende med at mandat ISRU som en del af Mars-arkitekturen, fordi det aldrig er blevet gjort (risikabelt), og det er aldrig blevet gjort, fordi det er for risikabelt-den klassiske catch-22. Hvordan kan rummissioner bevæge sig ud over dette dødvande? Reducer størrelsen af ​​risikobanen ved at demonstrere ISRU på månen.



Ingeniører kan designe en ISRU -strategi for månemissioner, der ikke kun afholder risiko for fremtidig ISRU -brug på Mars, men også kan tilvejebringe Mars -turen fra månematerialer, hvilket yderligere reducerer mængden af ​​masse, der er lanceret fra Jorden. Men hvorfor bruge månen til at dokumentere værdien af ​​ISRU, frem for en jordnær asteroide? Kort sagt, månen har de rigtige materialer og egenskaber til at udføre denne risikoreducerende aktivitet.

Månens kritiske ressourcer

Resultaterne af LCROSS -effektforsøg , hvor en Centaur -øvre etape blev styrtet ned i et mørkt område nær månens sydpol, demonstrerede, at ikke kun er vand til stede i mængde på månen, men der er også andre flygtige stoffer der, herunder metan, ammoniak, kuldioxid og nogle enkle organiske forbindelser. På grundlag af deres observerede overflod stammer alle disse stoffer sandsynligvis fra kometer, der over geologisk tid har ramt månen og er bevaret i de permanent skyggefulde, kolde områder nær polakkerne. Asteroider indeholder typisk ikke de eksotiske, flygtige stoffer; hvis vand er til stede i asteroider, er det kemisk bundet i mineralstrukturer og kræver betydelig energi og forarbejdning at blive ekstraheret og brugt.

Lunar ISRU kan høste ikke kun vand (og dermed ilt), men også metan fra månens polære aflejringer. Metan er drivmidlet Zubrin's Mars Direct -arkitektur bruger til jordens tilbagevenden. (Men fordi Marsskorpen er vandrig, LOX-LH2kunne også bruges på Mars, hvilket gør månens polare aflejringer dobbelt relevante.) Fra Jord-månens L-1-punkt kræver enten landing på eller start af månens poler cirka 1,6 miles i sekundet (2,6 kilometer i sekundet) ) ændring i hastighed, hvorimod overførsel fra overfladen af ​​Mars til Mars i kredsløb for rendezvous og retur til Jorden kræver en hastighedsændring på 2 mps (3,2 km/sek). Således er overførselsenergierne for de to missioner sammenlignelige. Det betyder, at vi kan teste metan -ISRU -systemerne ikke kun i princippet - men selve Mars -udstyret i praksis tre dage væk på månen og i cislunarrummet (området mellem Jorden og månen). Hvis besætninger kommer i problemer under en mission, er det bedre, at det sker på månen, hvor redning måske er mulig.

Disse måneegenskaber betyder faktisk, at en komplet, ende-til-ende-systemtest af alle dele af en arkitektur i Mars Direct-stil kunne udføres i cislunarrum og overvinde den mest kritiske hindring: 'risikoen' for at kræve ISRU i den kritiske vej.

Efter min mening er ISRU den vigtigste og spilskiftende teknologi til fremtidig rumfart. Jeg vil gå så langt som til at sige, at a menneskelig Mars -mission er utænkeligt uden at inkorporere ISRU i en eller anden form, sandsynligvis som kilde til drivmiddel, men også til andre potentielle anvendelser (f.eks. afskærmning, ilt og vand). Og sådan ISRU vil ikke forekomme, før den er bevist i rummet, lettest og mest nyttig på månen.

En Mars -mission udført i Apollo -tilstand (alt lanceret fra Jorden) er ikke skattemæssigt eller politisk muligt. Et nationalt sikkerhedsbehov under Apollo tillod USA at bløde tekniske problemer ihjel med penge. Vi lever ikke længere i den verden. Rumprogrammer skal være overkommelige, hvilket betyder, at vi ikke kan vælge den nemmeste eller mest velkendte måde at gøre noget på - vi skal være kloge, nøjsomme og bruge det tilgængelige.

Bevæger sig fremad

I løbet af en nylig høring om det foreslåede nye NASA -godkendelsesregning , de to vidner- Steve Squyres fra Cornell University og Tom Young fra Lockheed Martin Corporation- begge mente det månens tilbagevenden var ikke en forudsætning til menneskelige Mars -missioner. De tager begge fejl. Den kritiske vej til Mars går gennem Månen, selvom den ikke er på den måde, som de fleste ingeniører har set på den. De har betragtet en månemission som en smuk generalprøve til Mars -missionen, hvor folk landede på månen for at udføre en kompleks og omhyggeligt koreograferet EVA, for at øve, hvordan de planlægger at udforske Mars og derefter forlade månen så hurtigt som muligt. Efter deres opfattelse er hovedformålet med månemissionen at få det overstået.

For at en bemandet mission til Mars skal lykkes, er et vedvarende måneudbytte meget mere værdifuldt end en touch-and-go, flyby eller hover-over mission. Kun på månen kan vi for første gang lære at udvinde og bruge ressourcer uden for planeten. Vi pensionerer ISRU -risikoen permanent og åbner plads ved hjælp af månens ressourcer. Vi øver os på hele Mars overflades mission -sekvens med Mars hardware flyver i rummet - fra landing, til tankning og opstigning. At tage til Mars uden ISRU kræver for meget masse i LEO og vil kræve flere lanceringer af dyre engangskøretøjer. Som følge heraf ville en bemandet Mars -mission være uoverkommelig og derfor usandsynligt nogensinde ske. Sådanne udgifter kan ikke begrundes under praktisk talt enhver tænkelig politisk omstændighed, bortset fra dem, der er forbundet med en national nødsituation - bestemt en eventualitet, man ikke kan håbe på.

Og ja, for dem der følger brødkrummerne, ved hjælp af ISRU -processen, udvikler vi et system, der rutinemæssigt kan få adgang til alt cislunarrum, inklusive månens overflade.

De udtrykte synspunkter er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Følg os @Spacedotcom , Facebook og Google+ . Orginal artikel om demokratija.eu .