Miehitetty Mars-lento

Miehitetty Mars-lento eli retkikunnan lähettäminen Mars-planeetalle on ollut ihmiskunnan haaveissa jo pitkään matkan mittavista haasteista ja ratkaisemattomista teknisistä kysymyksistä huolimatta. Toistaiseksi miehitettyjä avaruuslentoja matalaa Maan kiertorataa edemmäs on tehty ainoastaan Kuuhun vuosina 1969–1972. Lento Marsiin olisi huomattavasti vaativampi muiden muassa matkan pituuden, suuremman delta-v:n ja miehistön säteilyaltistumisen vuoksi. Mars-lentoa on eri tahoilla jollain tasolla suunniteltu ensimmäisen Kuu-lennon jälkeen, mutta vielä yksikään maa tai muu taho ei ole täysipainoisesti ryhtynyt hankkeeseen.

BFR Starship Mk2 prototyyppi rakenteilla. Cocoa, Florida, elokuu 2019.

Ehkä pisimmällä miehitetyn Mars-lennon toteuttamisessa oleva SpaceX-yritys kehittää Mars-lentoihin soveltuvaa avaruusalusta BFR:ää. Vuonna 2019 sen ensimmäiset prototyypit olivat rakenteilla. Yrityksen tavoite on Marsin asuttaminen. Sen ensimmäinen ja SpaceX:n perustajan Elon Muskin mukaan vaikein askel on riittävän suuren ja edullisen kuljetusratkaisun kehittäminen.

Miehitetty Mars-lento

Matkalla Marsiin. Marsin kiertoradalle jäävässä emäaluksessa oleva miehistö kelluu painottomuudessa.

Mars-laskeutuja irtautuu Marsin kiertoradalle asettuneesta emäaluksesta. Järjestely muistuttaa kuulennoilla käytettyä kiertolais-laskeutuja-kokonaisuutta. Osa Mars-lentosuunnitelmista perustuu laskeutumiseen suoraan Marsiin polttoaineen säästämiseksi.

Mahdollinen Mars-lennon laskeutumispaikka Marsin kartalla ja kuviteltuja Mars-kävelyjen tai Mars-ajelujen reittejä.

NASA ilmoitti 2012 lähettävänsä toisen mönkijän Marsiin vuonna 2020 valmistelemaan 2030-luvun miehitettyjä lentoja.

Marsiin on lähetetty useita miehittämättömiä luotaimia. Mars on lähimmillään muutaman kymmenen miljoonan kilometrin päässä Maasta. Polttoaineen säästämiseksi sinne ei kannata lentää suorinta rataa pitkin. Matka on keskimääräistä rataa pitkin käytännössä satoja miljoonia kilometrejä ja vie ajallisesti keskimäärin pari vuotta.

Mars-lennolle lähteviä uhkaisivat säteily, painottomuus ja psyykkiset ongelmat.

1990-luvulla NASA kaavaili perustavansa myöhemmin kuuaseman, jossa voidaan harjoitella tulevan Mars-lennon tilanteita.

Mars-lento vaatii uutta tekniikkaa

Osa Mars-lennolle haluttavasta tekniikasta on vielä kehittämättä. Esimerkiksi hapen ja veden kierrätys elossapitojärjestelmässä pienentäisi mukaan otettavien tarvikkeiden määrää, mutta sellaista ei ole kehitetty. On ajateltu viljellä kasvihuoneessa leviä tai muita kasveja ravinnoksi. Kasvit myös kierrättäisivät ilmaa ja ihmisen jätteitä.

Mars Direct -suunnitelmassa Mars-alus yhdistetään vaijerilla viimeiseen rakettivaiheeseen ja kokonaisuus pannaan ohjausrakettien avulla pyörimään siten, että miehistöalukseen saadaan Marsin painovoimaa vastaava keskipaikoisvoima.

Mars-lennon ongelmia

Taiteilijan näkemys NASAn 1990-luvun lopulla suunnittelemasta Mars-lennosta nimeltä Mars design reference mission 3.0 ("Mars-lennon suunnittelussa käytetty vertailusuunnitelma 3.0".

Avaruustaiteilijan kuva Mars-autosta ja astronauteista.

Lentoaika

Lento Marsiin niin sanottua Hohmannin ellipsiä pitkin vie noin 260 päivää, paluumatka yhtä kauan. Myös perillä halutaan viettää aikaa. Yhteensä lento kestäisi pari vuotta .

Lentomatkojen ajan miehistö olisi painottomassa tilassa, mikä aiheuttaisi lihasten surkastumista ja luumassan katoamista.

Auringon purkaukset ja jatkuva säteily

Kosmisen taustasäteilyn ja auringosta ajoittain tulevien voimakkaampien purkausten yhteisvaikutus olisi niin iso, että vuoden kestävällä matkalla astronautit saisivat suurella todennäköisyydellä syövän. Lisäksi vastustuskyky heikkenee, kun immuunijärjestelmä muuttuu painottomassa tilassa.

Säteily voisi vaurioittaa myös sydäntä ja keskushermostoa. Nasan avaruusluotaimella tekemän mittauksen mukaan jo vuoden mittainen Mars-lento altistaisi avaruuslentäjän 660, jopa 1000 millisievertin säteilyannokselle Auringon ollessa rauhallinen. Koko astronautin uran aikana sallittu enimmäisannos on 800–1300 mSv. Koska monissa Mars-lentokaavailuissa lento kestää yli vuoden, avaruuslentäjät saisivat Mars-lennolla enimmäismäärän säteilyä. 2,5 vuoden mittainen matka Marsiin lyhentäisi astronautin elinikää 15–24 vuotta.

Suojaava lyijykerros taas olisi kovin painava. Suorien vaikutusten lisäksi säteily voi vaikuttaa mukana kuljettavan ruoan ravintoarvoihin, kuten vitamiineihin.

Painottomuudessa lisäksi luuston kalsium puolittuu kahdessa kuukaudessa ja lihaksisto pyrkii surkastumaan, mutta tätä estetään liikunnalla.

Pitkä yhteydenpitoaika

Koska Mars on hyvin kaukana Maasta, valo ja radioaallot käyttävät edestakaiseen Marsin ja Maan väliseen matkaan useita minuutteja. Valo ja radioaallot kulkevat noin 0,3 miljoonaa kilometriä sekunnissa, ja Marsin etäisyys Maasta vaihtelee 56–400 miljoonan kilometrin välillä. Radioviestin kulkuaika yhteen suuntaan on 3–22 minuuttia.

Korkeat kustannukset

Mars-lennon kustannuksia lisää sekin, että Mars-lennon valmistelu Maan kiertoradalla tulisi luultavasti vaatimaan useita rakettikuormia, joissa yhdessä voisi olla komentoalus, toisessa jarru- ja kiihdytysrakettiosa, kolmannessa polttoainesäiliöt, neljännessä laskeutumisosa ja niin edelleen. George Bushin SEI-hankkeen osana suunniteltu Mars-matka olisi maksanut 450 miljardia dollaria, Robert Zubrinin minimalistisen MarsDirect-suunnitelman hinta-arvio on 30 miljardia dollaria. Useimmat muut hinta-arviot asettuvat näiden välille.

Mars-aluksen voimanlähteistä

Marsin maisemia Mars Pathfinder -nimisen miehittämättömän avaruusluotaimen kuvaamana.

Nykyisissä suunnitelmissa yleisin ratkaisu Mars-lennon välineeksi näyttää olevan perinteinen kemiallinen raketti. 1970-luvulla hylätyt ydinvoimasuunnitelmat palaavat kuitenkin ajoittain harkintaan.

Ilmajarrutus

Ilmajarrutuksessa avaruusalus sukeltaa useita peräkkäisiä kertoja planeetan kaasukehään voidakseen vähitellen hidastaa vauhtia ja asettua alemmalle kiertoradalle. Joillain amerikkalaisten Mars-luotaimilla on kokeiltu ilmajarrutusta luotainten ratojen muutteluun.

Polttoaineen tuotanto perillä

Yksi Mars-lentoa tutkivan yksityisen Mars Societyn perustajajäsenistä, Robert Zubrin on ehdottanut Mars Direct -ohjelmaa, jossa Marsin kaasukehässä voitaisiin valmistaa esimerkiksi metaanipolttoainetta paluumatkaa varten. Hapetin voisi olla häkää, eli hiilimonoksidia. Raketin suihkunopeus ja työntövoima olisivat vähäiset, mutta polttoaineen valmistus Marsissa olisi etu. Tämä alentaisi lennon kustannuksia ehkä kymmenykseen ”perinteisistä” suunnitelmista, ja toimeen tultaisiin ehkä yhdellä kantoraketilla.

Hylätty ydinreaktorisuunnitelma

1960- ja 1970-luvuilla ajateltiin käyttää Mars-lentoon muun muassa ydinreaktorin kuumennusvaikutukseen perustuvaa rakettia, jossa on ydinkäyttöinen keskusosa ja lisättäviä polttoainesäiliöitä. Toisessa, NASAn 1968 laatimassa IMIS-suunnitelmassa oli neljä ydinrakettiyksikköä ilman irrotettavia polttoainesäiliöitä, ja kartiomainen, kaksivaiheinen laskeutumisosa.

Yksi työntövoima-ajatus oli ioniraketti, joka saa voimansa ydinreaktorin tuottamasta sähköstä. Ioniraketti sopii paremmin hitaaseen lentoon, koska sen tuottama työntövoima on tyypillisesti pieni. Näin ollen se sopinee paremmin ei-kiireellisiin kuljetuksiin tai luotaimiin..

Huimia visioita

Kehitteillä olevaa VASIMR-rakettimoottoria on esitetty Mars-lennon keston lyhentäjäksi.

Robert Zubrin on ajatellut myös Auringon säteilyn paineeseen perustuvaa aurinkopurjetta Mars-matkailussa, vaikka Auringon hiukkasvirta on huomattavasti pienempi. Aurinkopurjetta aiottiin kokeilla, mutta koesatelliitti Cosmos 1 tuhoutui vuonna 2005 laukaisussa. Toukokuussa 2010 Japani laukaisi ensimmäisen aurinkopurjetta ensisijaisena työntövoiman lähteenä käyttävän avaruusluotaimen Ikaroksen. Purjeen käyttövoimaksi on myös ehdotettu Maasta käsin toimivaa mikroaaltolähdettä. Tällöin purje höyrystyisi ohuelta pintakerrokseltaan vaihe vaiheelta mikroaaltosäteilyn voimasta ja työntäisi alusta eteenpäin. Näin saavutetaan suuria, jopa 60 km/s nopeuksia puolessa tunnissa. Varsinkin tämä tekniikka on vielä testaamatta.

Mars-lennon psykologiaa

Venäläinen Biolääketieteellinen instituutti IBMP ja ESA aloittivat 2008 pitkän avaruuslennon psykologisia ja lääketieteellisiä vaikutuksia arvioivan Mars-500 -tutkimuksen, jossa vapaaehtoiset koehenkilöt asuivat Mars-alusta jäljittelevässä suljetussa tilassa. Heinäkuussa 2009 kuusimiehinen koemiehistö päätti 105 vuorokautta kestäneen harjoituksen ja 4. marraskuuta 2011 päättyi kesäkuussa 2010 alkanut ja 520 vuorokautta kestänyt tutkimusohjelman viimeinen, täysipituinen eristysjakso.

Vuonna 2011 päättyneen eristysjakson analyysi paljasti neljän kuudesta jäsenestä kärsineen erilaisista lievistä ongelmista jakson aikana, kuten vuorokausirytmin muuttumisesta, univaikeuksista ja lievästä masennuksesta. Tutkijoiden mukaan tulokset herättävät epäilyksiä miehistön toimintakyvystä todellisella Mars-lennolla. Vuonna 2013 todettiin juuri unihäiriöiden olevan suurin riskitekijä. Ahtaassa tilassa pidetyt miehistöt riitelevät helposti.

Elokuussa 2015 alkoi Havaijilla vuoden kestävä koe, missä kuusi tutkijaa sulkeutui 11 metriä halkaisijaltaan olevaan kupoliin. Kupolista poistuessaan he käyttävät aina avaruuspukua.

Mars-lennon ratoja

Perinteinen luotainten käyttämä rata Marsiin on lähellä Hohmannin siirtorataa, joka on Maan ja Marsin ratojen välissä oleva puoliellipsi.

Mars-lennon matematiikkaa

Taiteilijan näkemys avaruusmiehistä suuren rotkon lähellä Marsissa aamulla.

Avaruusluotaimen ottama Victoria-kraatterin kuva.

Marsia kohti lähetettäneen alus Maata kiertävältä radalta. Se koostuisi isosta emäaluksesta ja laskeutumisosasta. Tarkoitus olisi ensin asettua kiertämään Marsia, ennen kuin laskeudutaan Marsiin erillisellä laskeutumisaluksella. Näin säästetään polttoainetta verrattuna siihen, että suuri matka-alus laskeutuu kokonaisena Marsiin. Laskeutuja irrotetaan emäaluksesta luultavasti ennen kuin emäalus asettuu kiertoradalle. Tämäkin säästää polttoainetta. On myös ehdotettu lentoa Marsiin suoraan ilman satelliittirataa aluksen massan pienentämiseksi.

Marsin ja Maan asemat toistuvat samoina keskimäärin 2,14 vuoden eli 780 vuorokauden välein, koska Mars kiertää Aurinkoa 1,88 vuoden jaksoissa, ja maa kiertää vuoden jaksoissa.Tällöin Mars ehtii joka Maan kierrokselle edetä hieman eteenpäin. Marsin etäisyys Auringosta on keskimäärin 1,52 AU, mutta radan soikeuden takia planeetan etäisyys vaihtelee välillä 1,38–1,66 AU. Tällöin Mars on lähimmillään meitä 56 miljoonan kilometrin eli 0,37 AU:n päässä, ja kauimmillaan 400 miljoonan kilometrin eli 2,67 AU:n päässä.

On luultavaa, että Mars-alus asettuu alussa hyvin soikealle radalle Marsia kiertämään. Tälle jarrutus vaatii noin 1,02 km/s, jos rata on alimmillaan 500 km, korkeimmillaan 52 000 km:n korkeudessa Marsin pinnasta, kiertoajalla 43,09 tuntia.

Mars-aluksen mahdollisia mittoja

Monien tutkimusten mukaan Mars-lento vaatii noin 400–1000 tonnin painoisen aluksen noston maata kiertävälle radalle, mitä luultavimmin monilla rakettilennoilla.^{lähde tarkemmin?} Aluksen osat telakoidaan yhteen avaruudessa. On arvioitu, että Mars-lento vaatisi tähän 20 Saturnus-rakettia, noin 15-kertaisen varustemäärän verrattuna kuulentoon ja 50-kertaisen tarvikemäärän, arviolta 5,5 tonnia ilmaa, vettä, ruokaa ja muita tarvikkeita henkeä kohden. Toisen arvion mukaan lento vaatisi yli 30 sukkulalentoa. Kokemus kertoo, että 1 ihminen kuluttaa hyödykkeitä avaruusasemalla 15 kiloa päivässä, josta ilmaa, vettä ja ruokaa noin 5,6 kg.^lähde? Joidenkin arvioiden mukaan Mars-aluksen on voitava kuljettaa ainakin 135 tonnia. Lisäksi tarvitaan asuinosa. Eräiden arvioiden mukaan Marsiin lähtevä kemiallinen raketti vaatii 40 minuutin ajan noin 110 000 kg:n työntövoiman.

Mars-lennolla tarvittavia nopeuslisiä eli ajotarpeita

Mistä	Mihin	Nopeuslisä km/s
Maan pakonopeus (C3)	Mars siirtorata	0,6
Mars siirtorata	Mars sieppausrata	0,9
Mars sieppausrata	Deimos siirtorata	0,2
Deimos siirtorata	Deimos pinta	0,7
Deimos siirtorata	Phobos siirtorata	0,3
Phobos siirtorata	Phobosin pinta	0,5
Mars sieppausrata	Matala Marsia kiertävä rata	1,4
Matala Marsia kiertävä rata	Marsin pinta	4,1
Maan pakonopeus (C3)	Lähin Maata lähestyvä asteroidi	0,8–2,0

Mars-lentosuunnitelmien historiaa

Venäläisten suunnittelema, toteutumatta jäänyt TMK-avaruusalus, joka tässä kuvassa on kuviteltu kiertämään Venusta.

Jo 1950-luvulla ehdotettiin Orion-alusta, joka toimisi ydinräjähteillä. Pienet ydinlataukset räjähtäisivät aluksen kilven takana, mikä työntäisi alusta eteenpäin. Optimistisesti ajateltiin aluksella voitavan pistäytyä Saturnuksessa vielä 1970-luvulla, ja Mars olisi vain välipysäkki.

Venäläiset suunnittelivat Mars-lentoa pohjautuen 25 N-1-rakettiin. Raketin kehitys epäonnistui täysin, ja näin ollen suunnitelma ei päässyt alkua pidemmälle.

Kun George H. Bush ehdotti miehitettyä lentoa Marsiin osana Space Exploration Initiative (SEI) aloitetta 1989, arveltiin, että ensimmäinen miehitetty lento tapahtuisi vuoden 2020 paikkeilla. Tämä aloite ei saanut Yhdysvaltain kongressilta rahoitusta. Silloinen kustannusarvio oli 450 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Neuvostoliitto esitti sekä 1960-luvulla että 1980-luvulla yksityiskohtaisia suunnitelmia Mars-lennoista mutta Neuvostoliiton hajottua venäläiset ovat keskittyneet neuvottelemaan yhteisistä missioista Yhdysvaltojen kanssa.

Euroopan avaruusjärjestö ESAn tavoitteena on miehitetty lento Marsiin.

Mars-siirtokunta

Taiteilijan näkemys ehkä joskus toteutuvasta Mars-siirtokunnasta, joka tuottaa ravintoaan viljelemällä kasveja kasvihuoneissa.

Katso myös: Kuuasema, Marsin asuttaminen ja Avaruuden kolonisaatio

2010-luvulla alettiin puhua yksisuuntaisista lennoista Marsiin. Marsiin lähetettäisiin ihmisiä ja näille hengissäpysymisen kannalta välttämätön, mutta miehistö ei voisi palata Maahan. Näin Mars-siirtokunnan perustaminen ja ensimmäinen lento Marsiin tapahtuisi samalla lennolla ja tulisi halvemmaksi kuin menopaluu Maa–Mars–Maa... Yksisuuntaisen lennon ajatukseen perustuu hollantilaisyhtiön Mars One -suunnitelma, jossa Marsiin lähetetään ensin mönkijä, sitten Mars-kapseleilla miehittämättömästi miehistön asuintilat ja tarvikkeet ja lopuksi neljä ihmistä. Nämä jäisivät Marsiin loppuiäkseen, mutta aina parin vuoden jälkeen perustetulle asemalle tulisi lisää ihmisiä ja tarvikkeita uusilla lennoilla. Mars Onen vastustajat kertovat, ettei tekniikka ole valmista ja luotettavaa Marsin asuttamista varten, ja rahoituskin saattaa ontua.

Lähteet

• Booth, Nicholas: Avaruus: Kohti uutta vuosituhatta. ((Space: The next 100 years, 1990.) Suomentaja: Markus Hotakainen) Helsinki: Kirjayhtymä, 1991. ISBN 951-26-3617-4
• Westman, Juhani: Avaruuden saaret. (Toimittaneet Markus Hotakainen ja Heikki Oja. Ursan julkaisuja 30) Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1986. ISBN 951-9269-33-9
• Hotakainen, Markus: Mars, Myytistä maisemaksi. WSOY, 2005. ISBN 951-0-29932-4
• Raudsepp, Paul (toim.); Harri, Ari-Matti et al.: Suuntana Mars! : kertomus sodanjumalan nimellä ristityn punaisen Mars-planeetan nykytutkimuksen vaiheista nähtynä suomalaisten tutkijoiden silmin. Helsinki: Raud Publishing, 1993. ISBN 952-9689-01-2
• Gatland, Kenneth: Kohti avaruutta, Avaruuden valloituksen historia. Suomentanut Pertti Jotuni. Hämeenlinna: Karisto, 1982. ISBN 951-23-1896-2
• Markus Hotakainen, Mars, kustannusosakeyhtiö Paasilinna 2013 ISBN 978-952-5856-84-2
• Jan Aagaard, Ensimmäinen etappi Mars, Tieteen uudet näkymät 6, Tieteen Kuvalehti 2016, ISBN 978-82-535-3546-3

Aiheesta muualla

• Expedition-Mars.org (Arkistoitu – Internet Archive)
• RSC Energia: Concept of Russian Manned Space Navigation Development And, finally, how would the fourth phase be implemented, which foresees undertaking manned missions to the Mars? (Arkistoitu – Internet Archive)
• Ionimoottorilla Marsiin pääsisi 39 päivässä (Arkistoitu – Internet Archive) Tekniikka&Talous 24.7.2009
• Nasa julkisti Mars-matkalle sopivan rakettihankkeen