Peccato che Marte sia un posto così interessante, perché in realtà è uno dei posti più difficili da visitare nel Sistema Solare, soprattutto se si desidera portare con sé molti bagagli. Quel pianeta è un cimitero di missioni che non ce l'hanno fatta.
Man mano che le nostre ambizioni crescono e pensiamo di esplorare Marte con gli umani, forse anche i futuri coloni, avremo bisogno di risolvere uno dei maggiori problemi nell'esplorazione spaziale.
Atterrare con successo carichi pesanti sulla superficie di Marte è davvero molto difficile da fare.
Ci sono un sacco di sfide con Marte, inclusa la sua mancanza di magnetosfera protettiva e gravità della superficie inferiore. Ma uno dei più grandi è la sua sottile atmosfera di anidride carbonica.
Se ti trovassi sulla superficie di Marte senza una tuta spaziale, ti congeleresti a morte e ti asfissiassi per mancanza di ossigeno. Ma sperimenteresti anche meno dell'1% della pressione atmosferica che ti piace qui sulla Terra.
E si scopre che questa sottile atmosfera sta rendendo incredibilmente difficile ottenere carichi utili significativi fino alla superficie del Pianeta Rosso. In effetti, solo il 53% delle missioni su Marte ha effettivamente funzionato correttamente.
Quindi parliamo di come le missioni su Marte hanno funzionato in passato e ti mostrerò qual è il problema.
L'atterraggio su Marte è il peggiore
Storicamente, le missioni su Marte vengono lanciate dalla Terra durante le finestre di volo che si aprono ogni due anni circa quando Terra e Marte sono più vicini. ExoMars ha volato nel 2016, InSight nel 2018 e il rover Mars 2020 volerà, beh, nel 2020.
Le missioni seguono la traiettoria di trasferimento interplanetaria progettata per arrivare lì il più veloce o con la minima quantità di carburante.
Mentre il veicolo spaziale entra nell'atmosfera di Marte, percorre decine di migliaia di chilometri all'ora. Deve in qualche modo perdere tutta quella velocità prima di atterrare delicatamente sulla superficie del Pianeta Rosso.
Qui sulla Terra, puoi usare la densa atmosfera di Earthican per rallentare la tua discesa, sanguinando la tua velocità con uno scudo termico. Le tessere della navetta spaziale sono state progettate per assorbire il calore del rientro, poiché l'orbiter da 77 tonnellate è passato da 28.000 km / h a zero.
Una tecnica simile potrebbe essere utilizzata su Venere o Titano, dove hanno atmosfere spesse.
Anche la Luna, senza alcuna atmosfera, è relativamente semplice su cui atterrare. Senza alcuna atmosfera, non c'è bisogno di uno scudo termico, basta usare la propulsione per rallentare l'orbita e atterrare sulla superficie. Finché porti abbastanza propellente, puoi attaccare l'atterraggio.
Di nuovo su Marte, con un veicolo spaziale che sfreccia nella sua sottile atmosfera a più di 20.000 chilometri all'ora.
La curiosità è il limite
Tradizionalmente, le missioni hanno iniziato la loro discesa con un aeroshell per rimuovere parte della velocità del veicolo spaziale. La missione più pesante mai inviata su Marte era Curiosità, che pesava a 1 tonnellata metrica, o 2.200 libbre.
Quando entrò nell'atmosfera marziana, percorreva 5,9 chilometri al secondo, o 22.000 chilometri l'ora.
Curiosity aveva il più grande aeroshell mai inviato su Marte, misurando 4,5 metri di diametro. Questo enorme aeroshell è stato inclinato di un angolo, consentendo alla navicella spaziale di manovrare quando colpisce la sottile atmosfera di Marte, mirando a una zona di atterraggio specifica.
A circa 131 chilometri di altitudine, l'astronave avrebbe iniziato a sparare propulsori per adattare perfettamente la traiettoria mentre si avvicinava alla superficie di Marte.
Circa 80 secondi di volo attraverso l'atmosfera, le temperature sullo scudo termico sono salite a 2.100 gradi Celsius. Per non sciogliersi, lo scudo termico utilizzava un materiale speciale chiamato ablatore al carbonio impregnato fenolico o PICA. A proposito, lo stesso materiale che SpaceX usa per le sue Dragon Capsules.
Una volta che aveva rallentato la sua velocità a un livello inferiore a Mach 2.2, la navicella spaziale dispiegò il più grande paracadute mai costruito per una missione su Marte - 16 metri di larghezza. Questo paracadute potrebbe generare 29.000 chilogrammi di forza di resistenza, rallentandolo ancora di più.
Le linee di sospensione erano realizzate in Technora e Kevlar, che sono praticamente i materiali più resistenti e resistenti al calore che conosciamo.
Quindi gettò via il suo paracadute e usò i motori a razzo per rallentare ancora di più la sua discesa. Quando fu abbastanza vicino, Curiosity dispiegò una gru celeste che abbassò delicatamente il rover sulla superficie.
Questa è la versione rapida. Se desideri una panoramica completa di ciò che Curiosity ha attraversato l'atterraggio su Marte, ti consiglio vivamente di dare un'occhiata a "The Design and Engineering of Curiosity" di Emily Lakdawalla.
La curiosità pesava solo una tonnellata.
Andare più pesante non si ridimensiona
Vuoi fare la stessa cosa con payload più pesanti? Sono sicuro che stai immaginando aeroshell più grandi, paracadute più grandi, gru a cielo più grandi.
In teoria, la SpaceX Starship invierà 100 tonnellate di coloni e le loro cose sulla superficie di Marte.
Ecco il problema. I metodi di decelerazione nell'atmosfera marziana non aumentano molto bene.
Innanzitutto, iniziamo con i paracadute. Ad essere onesti, a 1 tonnellata, Curiosity è più pesante che puoi ottenere usando un paracadute. Qualsiasi più pesante e non ci sono semplicemente materiali che gli ingegneri possono usare in grado di gestire il carico di decelerazione.
Un paio di mesi fa, gli ingegneri della NASA hanno celebrato con successo il test dell'Esperimento di ricerca sull'inflazione con paracadute supersonico avanzato, o ASPIRE. Questo è il paracadute che verrà utilizzato per la missione rover su Mars 2020.
Mettono il paracadute in tessuti compositi avanzati, come nylon, Technora e Kevlar, su un razzo che suona e lo lanciano a un'altitudine di 37 chilometri, imitando le condizioni che l'astronave sperimenterà quando arriverà su Marte.
Il paracadute schierato in una frazione di secondo, e completamente gonfiato, ha sperimentato 32.000 chilogrammi di forza. Se fossi a bordo in quel momento, proveresti 3,6 volte più forza che schiantarti contro un muro andando a 100 km / h indossando la cintura di sicurezza. In altre parole, non sopravviveresti.
Se il veicolo spaziale fosse più pesante, dovrebbe essere realizzato con tessuti compositi impossibili. E dimentica i passeggeri.
La NASA ha provato diverse idee per atterrare carichi utili più pesanti su Marte, fino a 3 tonnellate.
Un'idea si chiama Deceleratore supersonico a bassa densità o LDSD. L'idea è quella di utilizzare un deceleratore aerodinamico molto più grande che si gonfi attorno alla navicella spaziale come un castello gonfiabile quando entra nella gravità marziana.
Nel 2015, la NASA ha effettivamente testato questa tecnologia, portando un prototipo di veicolo su un pallone ad un'altitudine di 36 chilometri. Il veicolo ha quindi lanciato il suo solido razzo, portandolo ad un'altitudine di 55 chilometri.
Mentre schizzava verso l'alto, gonfiava il suo deceleratore aerodinamico gonfiabile supersonico fino a un diametro di 6 metri (o 20 piedi), che poi lo rallentava fino a Mach 2.4. Sfortunatamente il suo paracadute non è riuscito a dispiegarsi correttamente, quindi si è schiantato nell'Oceano Pacifico.
Sono progressi. Se riescono davvero a capire l'ingegneria e la fisica, un giorno potremmo vedere atterrare un veicolo spaziale da 3 tonnellate sulla superficie di Marte. Tre tonnellate intere.
Più propulsione, meno carico
L'idea successiva di scalare un atterraggio su Marte è usare più propulsione. In teoria, puoi semplicemente trasportare più carburante, lanciare i tuoi razzi quando arrivi su Marte e cancellare tutta quella velocità. Il problema, ovviamente, è che più massa devi trasportare per rallentare, meno massa puoi effettivamente atterrare sulla superficie di Marte.
Si prevede che SpaceX Starship utilizzerà un atterraggio propulsivo per far scendere 100 tonnellate sulla superficie di Marte. Poiché sta prendendo un percorso più diretto e più veloce, l'astronave colpirà l'atmosfera marziana più velocemente di 8,5 km / se quindi utilizzerà le forze aerodinamiche per rallentarne l'ingresso.
Non deve andare così veloce, ovviamente. L'astronave poteva usare l'aerobraking, passando diverse volte nell'atmosfera superiore per eliminare la velocità. In realtà, questo è il metodo utilizzato dall'astronave orbitale diretta su Marte.
Ma poi i passeggeri a bordo dovrebbero trascorrere settimane affinché l'astronave rallenti e vada in orbita attorno a Marte, per poi scendere nell'atmosfera.
Secondo Elon Musk, la sua strategia deliziosamente non intuitiva per gestire tutto quel calore è quella di costruire l'astronave in acciaio inossidabile, e quindi piccoli fori nel guscio spurgheranno il metano per mantenere fresco il lato sopravento dell'astronave.
Una volta che ha abbastanza velocità, gira, spara i suoi motori Raptor e atterra dolcemente sulla superficie di Marte.
Punta al suolo, tirati su all'ultimo minuto
Ogni chilogrammo di carburante utilizzato dall'astronave per rallentare la sua discesa sulla superficie di Marte è un chilogrammo di carico che non può portare in superficie.
Non sono sicuro che esista una strategia praticabile che atterrerà facilmente carichi utili pesanti sulla superficie di Marte. Le persone più intelligenti di me pensano che sia praticamente impossibile senza usare enormi quantità di propellente.
Detto questo, Elon Musk pensa che ci sia un modo. E prima di scartare le sue idee, guardiamo i booster laterali gemelli del razzo Falcon Heavy atterrare perfettamente insieme.
E non prestare attenzione a ciò che è accaduto al ripetitore centrale.
Un nuovo studio del Dipartimento aerospaziale dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign suggerisce che le missioni su Marte potrebbero sfruttare l'atmosfera più spessa che è più vicina alla superficie di Marte.
Nel loro articolo intitolato "Opzioni di traiettoria di ingresso per veicoli ad alto coefficiente balistico su Marte", i ricercatori propongono che i veicoli spaziali che volano su Marte non debbano avere tanta fretta per sbarazzarsi della loro velocità.
Mentre l'astronave sta urlando attraverso l'atmosfera, sarà comunque in grado di generare molto ascensore aerodinamico, che potrebbe essere usato per guidarlo attraverso l'atmosfera.
Hanno eseguito i calcoli e hanno scoperto che l'angolo ideale era semplicemente puntare il veicolo spaziale verso il basso e tuffarsi verso la superficie. Quindi, nell'ultimo momento possibile, sollevati usando il sollevamento aerodinamico per volare lateralmente attraverso la parte più spessa dell'atmosfera.
Ciò aumenta la resistenza e ti consente di liberarti della maggior quantità di velocità prima di accendere i motori di discesa e completare l'atterraggio a motore.
Sembra divertente.
Se l'umanità costruirà un futuro praticabile sulla superficie di Marte, avremo bisogno di risolvere questo problema. Avremo bisogno di sviluppare una serie di tecnologie e tecniche che rendano l'atterraggio su Marte più affidabile e sicuro.
Ho il sospetto che sarà molto più impegnativo di quanto le persone si aspettino, ma non vedo l'ora di scoprire le idee che verranno testate nei prossimi anni.
Un grande grazie a Nancy Atkinson che ho trattato questo argomento qui su Space Magazine più di un decennio fa, e mi ha ispirato a lavorare su questo video.
