NASA i Kina planiraju organizirati misije s posadom na Mars u sljedećem desetljeću. Iako ovo predstavlja ogroman skok u smislu istraživanja svemira, također predstavlja značajne logističke i tehnološke izazove.
Za početak, misije se za Mars mogu pokrenuti samo svakih 26 mjeseci kada su naša dva planeta u međusobnoj najbližoj orbiti (tokom "Opozicije"). Koristeći trenutnu tehnologiju, bilo bi potrebno šest do devet mjeseci za tranzit sa Zemlje na Mars.
Čak i s nuklearno-termalnim ili nuklearno-električnim pogonom (NTP/NEP), jednosmjerni tranzit mogao bi potrajati 100 dana do Marsa.
Međutim, tim istraživača sa Univerziteta McGill u Montrealu procijenio je potencijal lasersko-termalnog pogonskog sistema. Prema njihovoj studiji, svemirska letjelica koja se oslanja na novi pogonski sistem – gdje se laseri koriste za zagrijavanje vodikovog goriva – mogla bi smanjiti vrijeme tranzita do Marsa na samo 45 dana!
Istraživanje je vodio Emmanuel Duplay, koji je diplomirao na McGillu i trenutni student MSc Aerospace Engineering na TU Delft. Pridružili su mu se vanredni profesor Andrew Higgins i više istraživača s Odjela za mašinstvo na Univerzitetu McGill.
Njihova studija pod nazivom "Dizajn brzog tranzita za Mars misije pomoću lasersko-termalnog pogona" nedavno je poslana u časopis Astronomy & Astronomy.
Posljednjih godina, pogon usmjerene energije (DE) bio je predmet znatnih istraživanja i interesa. Primjeri uključuju program Starlight – također poznat kao Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN) i Directed Energy Interstellar Studies (DEIS) programi – koji su razvili prof. Phillip Lubin i UCSB Experimental Cosmology Group (ECG).
Kao dio istraživanja financiranog od NASA-e koje je započelo 2009. godine, ovi programi imaju za cilj prilagoditi velike DE aplikacije za međuzvjezdane misije.
Tu su i Breakthrough Starshot i Project Dragonfly, koji su oba proizašla iz studije dizajna koju je organizirala Initiative for Interstellar Studies (i4iS) 2013. Ovi koncepti zahtijevaju laserski niz gigavatne snage za ubrzanje svjetlosnog jedra i male svemirske letjelice do djelića brzine svjetlosti (poznate kao relativističke brzine) da bi dosegla obližnje zvjezdane sisteme u desetljećima, a ne stoljećima ili tisućljećima.
No, dok su ti koncepti u fokusu međuzvjezdanih putovanja, Duplay i njegovi kolege istraživali su mogućnost međuplanetarnog koncepta.
Kao što je Duplay objasnio za Universe Today putem maila:
"Konačna primjena pogona usmjerene energije bila bi pokretanje svjetlosnog jedra do zvijezda za istinsko međuzvjezdano putovanje, mogućnost koja je motivirala naš tim koji je napravio ovu studiju. Zanimalo nas je kako se ista laserska tehnologija može koristiti za brzi tranzit u Sunčevom sistemu, koji će, nadamo se, biti bliža odskočna daska koja može demonstrirati tehnologiju."
Osim laserskog pogona jedra, DE se istražuje za nekoliko drugih aplikacija za istraživanje svemira. To uključuje prenos energije u i iz svemirskih letjelica u stalno zasjenjena staništa (npr. Program Artemis), komunikacije, odbranu od asteroida i potragu za mogućim tehnosignaturama.
Tu je i koncept lasersko-električne svemirske letjelice koju istražuje NASA i kao dio kolaborativne studije između UCSB EKG-a i MIT-a.
Za ovu primjenu, laseri se koriste za isporuku energije fotonaponskim nizovima na svemirskoj letjelici, koja se pretvara u električnu energiju za napajanje Hall-Effect Thruster (ionski motor). Ova ideja je slična nuklearno-električnom pogonskom (NEP) sistemu, gdje laserski niz zauzima mjesto nuklearnog reaktora. Kao što je Duplay objasnio, njihov koncept je povezan, ali različit:
"Naš pristup je komplementaran ovim konceptima, jer koristi isti koncept lasera s faznim nizom, ali bi koristio mnogo intenzivniji laserski tok na svemirskoj letjelici za izravno zagrijavanje pogonskog goriva, slično divovskom parnom kotlu. To omogućuje letjelici da brzo ubrza dok je još u blizini Zemlje, tako da laser ne treba fokusirati tako daleko u svemir.
"Naša svemirska letjelica je poput dragstera koji ubrzava vrlo brzo dok je još u blizini Zemlje. Vjerujemo da čak možemo koristiti isti raketni motor na laserski pogon da vratimo buster natrag u Zemljinu orbitu, nakon što je transportovao glavno vozilo na Mars, što omogućava da se brzo reciklira za sljedeće lansiranje."
U tom pogledu, koncept koji su predložili Duplay i njegovi kolege sličan je sistemu nuklearno-toplinskog pogona (NTP), gdje je laser zauzeo mjesto nuklearnog reaktora.
Uz DE i vodikovo gorivo, arhitektura misije lasersko-termalne svemirske letjelice uključuje nekoliko tehnologija iz drugih arhitektura. Kao što je Duplay naveo, oni uključuju:
"Nizove optičkih lasera koji djeluju kao jedan optički element, svemirske strukture na napuhavanje koje se mogu koristiti za fokusiranje laserske zrake kada stigne u svemirsku letjelicu u komoru za grijanje, te razvoj visokotemperaturnih materijala koji će omogućiti letjelici da se probije kroz atmosferu na Marsu."
Ovaj posljednji element je bitan s obzirom na to da na Marsu ne postoji laserski niz koji bi usporio letjelicu nakon što stigne na Mars.
„Reflektor na napuhavanje ključ je drugih arhitektura usmjerene energije: dizajniran da bude visoko reflektirajući, može izdržati veću snagu lasera po jedinici površine od fotonaponske ploče, što ovu misiju čini izvedivom sa skromnom veličinom laserskog polja u usporedbi s lasersko-električnim pogon", dodao je Duplay.
Kombinacijom ovih elemenata, lasersko-termalna raketa mogla bi omogućiti vrlo brze tranzite na Mars koji bi trajali samo šest sedmica – nešto što se prije smatralo mogućim samo s raketnim motorima na nuklearni pogon.
Najneposrednija korist je da predstavlja rješenje za opasnosti tranzita u dubokom svemiru, poput produžene izloženosti zračenju i mikrogravitaciji.
U isto vrijeme, kaže Duplay, misija predstavlja neke prepreke budući da su mnoge od uključenih tehnologija nove i još nisu testirane:
"Komora za lasersko grijanje vjerovatno je najznačajniji izazov: možemo li obuzdati plinoviti vodik, naše pogonsko gorivo, budući da se zagrijava laserskom zrakom na temperature veće od 10.000 K, dok istovremeno održavamo zidove komore hladnim? Naši modeli kažu da je to izvedivo, ali eksperimentalno testiranje u punom opsegu trenutno nije moguće jer još nismo napravili potrebne lasere snage od 100 MW."
Iako je velik dio tehnologije u ovoj predloženoj arhitekturi misije – i drugim sličnim prijedlozima – još uvijek u fazi teorije i razvoja, nema sumnje u njen potencijal.
Smanjenje vremena potrebnog za dolazak na Mars na nekoliko sedmica umjesto mjeseci riješit će dva najveća izazova za misije na Mars – logističke i zdravstvene probleme.
Nadalje, uspostava brzog tranzitnog sistema između Zemlje i Marsa ubrzat će stvaranje infrastrukture između Zemlje i Marsa. To bi moglo uključivati svemirsku stanicu nalik Gatewayu u orbiti Marsa, kao što je Mars Base Camp koji je predložio Lockheed Martin, kao i laserski niz za usporavanje nadolazeće letjelice.
Prisutnost ovih objekata također bi ubrzala planove za stvaranje trajne ljudske prisutnosti na površini Marsa.
Kako je profesor Higgins zaključio:
"Studija dizajna Mars u 45 dana koju je vodio Emmanuel bila je motivirana istraživanjem drugih, kratkoročnih primjena laserske tehnologije faznog niza koju razvija grupa Philipa Lubina. Sposobnost isporuke energije duboko u svemir putem lasera bila bi značajna tehnologija za pogon i snagu. Naša studija je ispitala laserski termalni pristup, koji izgleda ohrabrujuće, ali sama laserska tehnologija je prava promjena u igri."