Enhver udfordring vil astronauter møde på en flyvning til Mars

I 1972, rumkapløbet sluttede officielt, da NASA sendte en sidste besætning af astronauter til månens overflade (Apollo 17). Dette var messingringen, som både USA og Sovjet nåede ud efter, "måneskuddet", der ville afgøre, hvem der havde overherredømmet i rummet. I den nuværende tidsalder med fornyet rumudforskning, det næste store spring vil helt klart involvere at sende astronauter til Mars.

Dette vil give mange udfordringer, som skal løses på forhånd, hvoraf mange har at gøre med simpelthen at få astronauterne derhen i ét stykke! Disse udfordringer var genstand for en præsentation lavet af to indiske forskere på SciTech Forum 2020, en årlig begivenhed arrangeret af International Academy of Astronautics (IAA), RUDN Universitet, og American Astronomical Society (AAS).

Undersøgelsen, der beskriver deres forskningsresultater, dukkede for nylig op online og er blevet accepteret til offentliggørelse af Advances in Aeronautical Sciences (udgivelsesdato afventer). Både det og præsentationen på SciTech Forum 2020 blev udført af Malaya Kumar Biswal og Ramesh Naidu Annavarapua - en kandidatforsker og lektor i fysik fra Pondicherry University, Indien (henholdsvis).

Deres forskning var også genstand for en præsentation, der blev lavet under den syvende session af Space Biology Virtual Workshop, som var vært for Lunar Planetary Institute (LPI) - som fandt sted mellem 20. og 21. januar. Som Biswal og Annavarapua antydede i deres undersøgelse og præsentationer, Mars indtager en særlig plads i videnskabsmænds og astrobiologiske forskeres hjerter og sind.

Ved siden af ​​Jorden, Mars er det mest beboelige sted i solsystemet (efter terrestriske standarder). Flere linjer af beviser akkumuleret i løbet af årtier har også vist, at det kan have understøttet livet på én gang. Desværre, at sende astronauter til Mars vil uundgåeligt medføre en række forskellige udfordringer, som opstår fra logistik og teknologi til menneskelige faktorer og de involverede afstande.

At løse disse problemer på forhånd er altafgørende, hvis NASA og andre rumbureauer håber at udføre de første bemandede missioner til Mars i det næste årti og derefter. Baseret på deres analyse, Biswal og Annavarapu identificerede 14 forskellige udfordringer, som omfatter (men er ikke begrænset til):

• Flyvebanen for Mars og korrigerende manøvrer
• Rumfartøjer og brændstofstyring
• stråling, mikrogravitation, og astronaut sundhed
• Isolation og psykiske problemer
• Kommunikation (i transit og på Mars)
• Mars tilgang og orbital indsættelse

Alle disse udfordringer oplever en vis grad af overlap med en eller flere af de andre nævnte. For eksempel, et oplagt problem, når det kommer til planlægning af missioner til Mars, er den store afstand, der er involveret. På grund af dette, opsendelsesvinduer mellem Jorden og Mars forekommer kun hvert andet år, når vores planeter er nærmest i deres kredsløb til hinanden (dvs. når Mars er i "opposition" i forhold til solen).

Under disse vinduer, et rumfartøj kan foretage rejsen fra Jorden til Mars på 150 til 300 dage (ca. fem til ti måneder). Dette gør genforsyningsmissioner upraktiske, da astronauter ikke kan vente så længe med at modtage tiltrængte forsendelser af brændstof, mad, og andet leveret. Som Biswal fortalte Universe Today via e-mail, de involverede afstande skaber også problemer, hvad angår astronautsikkerhed og energiproduktion:

"I tilfælde af en nødsituation, vi kan ikke bringe astronauter tilbage fra Mars [som vi kunne] i tilfældet med LEO eller Lunar Missions ... Tilsvarende, afstand reducerer solfluxen fra Jordens kredsløb til Mars-kredsløbet, hvilket resulterer i underskudskraftproduktionen, som er meget vigtig for at drive køretøjet og opretholde termisk stabilitet (som igen kan den fjerne afstand føre til lav miljøtemperatur, der forårsager hypotermi og frostdannelse (især i munden) ."

Med andre ord, blot at komme til Mars præsenterer flere specifikke udfordringer, som Biswal og Annavarapu inkluderede i deres analyse. Når man taler om astronauts sundhed og sikkerhed, der er flere specifikke udfordringer, der også spiller ind her. For eksempel, det faktum, at astronauter vil tilbringe flere måneder i det dybe rum, skaber alle mulige risici for deres fysiske og mentale sundhed.

Til at begynde med, der er den psykologiske belastning ved at være begrænset til en rumfartøjskabine med andre astronauter. Der er også den fysiske belastning af langvarig eksponering for et mikrogravitationsmiljø. Som forskning ombord på den internationale rumstation (ISS) har vist - især, NASA's tvillingeundersøgelse - at tilbringe op til et år i rummet tager en betydelig vejafgift på den menneskelige krop.

Ud over tab af muskel- og knogletæthed, astronauter, der har tilbragt lange perioder ombord på ISS, oplevede også et tab af syn, genetiske ændringer, og langsigtede problemer med deres kardiovaskulære og kredsløbssystemer. Der har også været tilfælde af psykologiske effekter, hvor astronauter oplevede høje niveauer af angst, søvnløshed, og depression.

Men som Biswal antydede, den største og mest åbenlyse udfordring er al den stråling (sol og kosmisk), som astronauterne vil blive udsat for i løbet af hele missionen:

"[De] største farer omfatter risikoen for langvarig kræft og dens virkninger på grund af eksponering for både interplanetarisk stråling (under Mars-transit) og overfladestråling (under længerevarende overfladeophold). effekten af ​​stråling forårsager ukorrekt hjernekoordinationsfunktion og andre hjernerelaterede sygdomme; derefter den psykologiske effekt af besætningen under fuldstændig isolation. Da den bemandede mission er afhængig af astronautens præstation, astronauten oplever flere sundhedsrelaterede problemer."

I udviklede lande, mennesker på Jorden udsættes for et gennemsnit på omkring 620 millirem (62 mSv) årligt, eller 1,7 millirems (0,17 mSv) om dagen. I mellemtiden NASA har udført undersøgelser, der har vist, hvordan en mission til Mars ville resultere i en samlet eksponering på omkring 1, 000 mSv over en periode på to et halvt år. Dette ville bestå af 600 mSv i løbet af en årelang rundtur, plus 400 mSv under et 18-måneders ophold (mens planeterne justerede sig).

Hvad det betyder er, at astronauter vil blive udsat for 1,64 mSv om dagen, mens de er i transit og 0,73 mSv for hver dag, de opholder sig på Mars - det er over 9,5 og 4,3 gange det daglige gennemsnit, henholdsvis. De sundhedsrisici, som dette indebærer, kan betyde, at astronauter vil lide af strålingsrelaterede helbredsproblemer, før de overhovedet ankommer til Mars, for ikke at sige noget om overfladeoperationerne eller returflyvningen.

Heldigvis, der er afbødningsstrategier for transit- og overfladedelene af missionen, nogle af dem anbefaler Biswal og Annavarapua. "Vi er i øjeblikket ved at udvikle et Mars-habitat under overfladen, der kan løse alle sundhedsrelaterede problemer på den udvidede mission eller permanente bosættelse på Mars, " sagde Biswal. "[D]en besætningsmission bør omfatte hurtigere produktion af besætningsnødvendigheder fra in-situ ressource [udnyttelse] (ISRU)."

Dette forslag er i overensstemmelse med de mange missionsprofiler, som NASA og andre rumbureauer udvikler til fremtidig måne- og marsudforskning. Der er allerede mange eksisterende strategier til at holde besætninger beskyttet mod stråling, mens de er i rummet, men i udenjordiske miljøer, alle koncepter inkorporerer brugen af ​​lokale ressourcer (såsom regolit eller is) for at skabe naturlig afskærmning.

Den lokale tilgængelighed af is ses også som et must af hensyn til at sikre en stabil vandforsyning til konsum og kunstvanding (da astronauter på langvarige missioner bliver nødt til at dyrke meget af deres egen mad). Bortset fra alt det, Biswal og Annavarapu understregede, hvordan opretholdelse af en hurtig flyve- og returbane vil hjælpe med at reducere rejsetiden.

Der er også mulighed for at udnytte avancerede teknologier som nuklear-termisk og nuklear-elektrisk fremdrift (NTP/NEP). NASA og andre rumbureauer forsker aktivt i nukleare raketter, da et rumfartøj udstyret med NTP eller NEP kan tage rejsen til Mars på kun 100 dage. Men som Bisawl og Annavarapu antydede, dette rejser udfordringen med at håndtere nukleare systemer og mere udsættelse for stråling.

Ak, alle disse udfordringer kan løses med den rigtige kombination af innovation og forberedelse. Og når man tænker på fordelene ved at sende bemandede missioner til Mars, udfordringerne virker meget mindre skræmmende. Som Biswal tilbød, disse omfatter nærhed, mulighederne for at studere jordprøver fra Mars i et jordlaboratorium, udvidelsen af ​​vores horisont, og evnen til at besvare grundlæggende spørgsmål om livet:

"Vi har altid været fascineret af at vide, hvor vi kommer fra, og om der er noget liv som os i andre astronomiske organer? [Vi kan ikke udføre en bemandet mission til nogen anden interplanetarisk destination på grund af missionsrisiko og -styring.

"Mars er den eneste naboplanet i vores solsystem, vi kan udforske, det [har] en god geologisk rekord til at besvare alle [af] vores uløste spørgsmål, og [kan] bringe prøver [tilbage] for at analysere i vores jordbaserede laboratorium?" Og til sidst, det ville være interessant at udføre en menneskelig mission til Mars for at demonstrere omfanget af den nuværende teknologi og rumfartsudvikling."

Siden begyndelsen af ​​1960'erne, rumbureauer har sendt robotmissioner til Mars. Siden 1970'erne, nogle af disse missioner har været landere, der satte sig på overfladen. Med de over fyrre års data og ekspertise, der er resulteret, NASA og andre rumbureauer søger nu at anvende det, de har lært, så de kan sende de første astronauter til Mars.

De første forsøg kan stadig være over et årti (eller mere) væk, men kun hvis væsentlige forberedelser finder sted på forhånd. Ikke nok med at en masse missionsrelaterede komponenter og infrastruktur stadig mangler at blive udviklet, men der mangler stadig meget forskning. Heldigvis, disse bestræbelser drager fordel af den slags grundige vurderinger, vi ser her, hvor alle potentielle risici og farer undersøges (og modforanstaltninger foreslås).

Alt dette vil forhåbentlig føre til skabelsen af ​​et bæredygtigt program for Mars-udforskning. Det kan endda muliggøre den langsigtede menneskelige besættelse af Mars og skabelsen af ​​en permanent koloni. Takket være indsatsen fra mange forskere og videnskabsmænd, den dag kan endelig komme, hvor der er sådan noget som "marsboere".