Den knepiga logistiken att sätta mänskliga upptäcktsresande på Mars

Så länge som människor har sett till stjärnorna har vi drömt om att ge oss ut och besöka dessa avlägsna platser. Och ingen plats har varit föremål för fler spekulationer än Mars. Nu är vi äntligen på en plats där drömmen om människor som sätter sin fot på en annan planet kan bli verklighet inom våra liv.

Vi förstår tekniken vi behöver för att skicka människor till Mars, och vi har erfarenhet av att skicka robotuppdrag dit också. Så när ska vi ta nästa gigantiska steg och skicka ett besättningsuppdrag till en annan planet för första gången? Och vad krävs för att det ska hända?

Vi pratade med rymdexperten Michael Hecht från Massachusetts Institute of Technology, veteran från Jet Propulsion Laboratory och huvudutredare för MOXIE syretillverkningsinstrument på Perseverance rover, för att förstå hur vi tar oss från jorden till Mars - och hur vi kommer att få stövlar på marken för den första tid.

Alltid 15 år bort

Med den senaste tidens uppsving av intresse för Mars-utforskning känns det som att vi är närmare än någonsin tidigare att faktiskt få människor på planetens yta. Och ändå är det också ett mål som ständigt verkar vara utom räckhåll.

Efter Apollo-uppdragen på 1960- och 1970-talen antog många rymdentusiaster att vi skulle fortsätta att nå och utforska och gå vidare till nästa mål för utforskning: Mars. Men allmänhetens intresse avtog, stödet för Apollo torkade ut och människor har inte lämnat jordens omloppsbana sedan dess.

Under de mellanliggande decennierna har många spekulerat i att människor skulle sätta sin fot på Mars om bara 15 år; att vi oundvikligen kommer att hamna på den röda planeten snart. Men en konkret, seriös uppdragsplan för att sätta människor på Mars har ännu inte förverkligats.

Vi har tekniken för att få ett bemannat Mars-uppdrag att hända nu, och det finns ett ökande intresse för ämnet. Men Hecht hävdar att rymdgemenskapen, och vi som art som helhet, ännu inte har gjort ett seriöst ekonomiskt och praktiskt åtagande för att verkligen få ett uppdrag att hända. Om vi ​​bestämde oss för att göra det här skulle vi kunna. Men vi måste göra det åtagandet.

"Vi kunde ha gått efter Apollo," sa Hecht. "Det skulle ha varit svårt och det skulle ha varit farligt. Men vi kan göra det säkrare nu. Vi kunde ha gått då, och vi kan gå nu."

En magisk plats i cykeln

När man försöker föreställa sig hur ett bemannat Mars-uppdrag kan se ut, finns det egentligen bara ett praktiskt sätt att ta sig härifrån till dit. På grund av Mars bana runt solen varar ett år där knappt två jordår. Med hänsyn till restid betyder det att om du vill resa från jorden till Mars, finns det en period i en 26-månaderscykel då den resan är lättast: När de två planeterna är nära och en raket kan skickas in i vad som kallas en Hohmann-överföring bana.

"Det finns en magisk plats i den 26-månaderscykeln," förklarade Hecht. När en raket avfyras från jorden vid precis rätt tidpunkt kan den skära Mars omloppsbana samtidigt som Mars gör det. "Det är som att byta fil på motorvägen."

Även om det är möjligt att skicka farkoster till Mars med andra banor, är det svårare och farligare och mycket dyrare. Så den här 26-månaderscykeln sätter en praktisk gräns för när vi kan skicka uppdrag till Mars. Det är därför Mars-uppdrag ofta lanseras ungefär samtidigt, som de tre rymdfarkosterna som lanserades sommaren 2020 - NASA: s Perseverance-rover, Kinas Tianwen-1-uppdrag och UAE: s Hope-uppdrag.

Och det finns en motsvarande möjlighet att komma tillbaka åt andra hållet. Detta sätter en pragmatisk ram kring hur ett bemannat Mars-uppdrag kommer att se ut: En sex eller sju månader lång resa från jorden till Mars, lite över ett och ett halvt år på ytan, och ytterligare sex eller sju månader kommer tillbaka. Det är ungefär ett treårigt uppdrag totalt.

Ett längre uppdrag än vi är vana vid

Den treåriga uppdragslängden innebär utmaningar, eftersom det är ett längre uppdrag än vi är vana vid att skicka folk på. Uppdragen till månen varade bara några dagar, och besättningsrotationer på den internationella rymdstationen varar vanligtvis mellan sex månader och ett år.

Att ha människor på Mars-ytan i cirka 18 månader ger dem möjlighet att göra lite seriös vetenskap och utforskning, men det innebär också mycket större risker. Om det finns ett problem på ett Mars-uppdrag kommer det att vara extremt svårt - om inte omöjligt - att skicka hjälp eller förnödenheter från jorden. Om något går fel kommer astronauterna att vara på egen hand.

"Ingen som är nära detta är under några illusioner om att det är säkert," sa Hecht. Från hälsorisk av strålningsexponering till risker under uppskjutning och landning till de problem som uppstår som du tillbringa ett och ett halvt år i trånga förhållanden där du inte kan gå ut utan rymddräkt: "Det är en riskabel satsning."

Det är därför fokus för planeringen av ett besättningsuppdrag är att få så mycket viktig utrustning som möjligt på plats innan någon lämnar jorden. För att minimera riskerna för astronauter skulle du skicka maskiner och utrustning till planeten under det föregående fönstret i 26-månaderscykeln så att det är redo för astronauternas ankomst. Du måste se till att astronauternas mest grundläggande behov, som syre och vatten, redan är uppfyllda.

Hechts MOXIE-projekt är ett exempel på den typ av teknik som skulle möjliggöra ett bemannat Mars-uppdrag och minska dess risker. Det är ett sätt att producera syre från den rikliga koldioxiden i Mars atmosfär, och en liten versionen av tekniken är för närvarande inne i Perseverance-rovern och har haft flera framgångsrika körningar redan. En större version av denna teknik skulle kunna skickas till Mars tillsammans med en stor syretank, som kunde fyllas med syre redo för ankomsten av en Mars-besättning.

Månen till Mars?

NASA planerar att återvända till mänskliga rymdutforskningar med de kommande Artemis-uppdragen till månen, och byrån har konsekvent sagt att en av anledningarna till att resa till månen är att förbereda sig för ett besättningsuppdrag för att Mars.

Som tidigare NASA-administratör Jim Bridenstine uttryckte det i en färsk rapport, "NASA har alltid siktet inställt på mänsklig utforskning av Mars. Nu med människor som återvänder till månen om fyra år för att etablera hållbar utforskning av månen I slutet av decenniet kan vi tydligt se att månen är en viktig språngbräda till den röda planeten. Att lära sig att leva och arbeta på månen kommer att föra oss närmare och närmare vårt nästa gigantiska språng när vi söker efter liv längre bort i solsystemet."

Men exakt hur analoga månuppdrag är med Marsuppdrag är en diskussionsfråga i rymdgemenskapen. Vissa hävdar att varje utforskning av mänskligt rymd kommer att bidra till att bygga kunskap, teknologier och procedurer som kommer att vara fördelaktiga i framtida ansträngningar - det var vad Det sa Artemis-astronauten Kjell Lindgren till Digital Trends när vi intervjuade honom om målen med Artemis-uppdragen.

Men andra, som Hecht, är skeptiska till hur mycket du kan lära dig om ett Mars-uppdrag genom att åka till månen. "Jag kämpar för att hitta gemensamma drag mellan de två, för att vara ärlig," sa Hecht. Han påpekade skillnader mellan Mars och månen när det gäller resornas varaktighet, gravitationen och dammmiljöerna som astronauter kommer att möta, närvaron eller frånvaron av atmosfär och hur det påverkar landningar, och de resurser som är tillgängliga. "Jag ser det bara inte som ett språngbräda."

När det kommer till Mars sa Hecht: "Jag tror inte att du tränar genom att gå någon annanstans. Men jag förstår synvinkeln hos människor som säger att att gå någonstans – spelar ingen roll om det är en asteroid eller måne – ger oss erfarenhet av att operera utanför jorden.”

Det är inte så att människor som är för ett uppdrag till Mars är emot att besöka månen - förespråkare för rymdutforskning i allmänhet stödja fler uppdrag av alla slag – det är snarare så att om vi vill resa till Mars borde vi fokusera på Mars och dess unika utmaningar.

En McMurdo-station för den röda planeten

Det pratas mycket om futuristiska städer på Mars och att skicka hundratals eller till och med tusentals människor att bo där på lång sikt. Men de långsökta idéerna kommer sannolikt inte att hända någon gång snart. Istället skulle en mer realistisk vision vara en vetenskaplig forskningsutpost, som McMurdo-basen i Antarktis, med en handfull astronauter som tillbringar tid där i 18-månadersskift.

Det skulle vara möjligt att sätta upp det första besättningsuppdraget till Mars inom 20 till 25 år och att upprätta en forskningsutpost där inom de närmaste decennierna.

Även om det kan vara möjligt för ett sådant uppdrag att planeras och utföras av ett enda land, skulle det kunna finnas ett mer robust uppdrag om olika länder var inblandade. För närvarande samarbetar NASA nära med andra rymdorganisationer som European Space Agency (ESA) och den japanska Space Agency (JAXA), men det finns en schism mellan USA och en av de största aktörerna inom rymduppdrag: Kina. Huruvida dessa olika byråer skulle vara villiga att arbeta tillsammans på ett framtida Mars-uppdrag är fortfarande oklart.

"Förhoppningsvis kommer det första uppdraget [till Mars] att involvera inte bara NASA och inte bara USA," sa Hecht, "Förhoppningsvis kommer det att involvera Kina också, så det kommer inte bara att finnas en misslyckandepunkt. Det kommer att fortsätta om en partner bestämmer sig för att gå någon annanstans.”

Det kommer inte bara att vara statliga myndigheter involverade i projektet heller. Företag som SpaceX, Blue Origin och Boeing är alla starkt involverade i rymduppdrag, och du kan förvänta sig att de blir involverade som underleverantörer eller till och med projektledare i framtida Mars-uppdrag som väl.

Varför åka till Mars?

Närhelst ämnet för ett besättningsuppdrag till Mars kommer upp, finns det alltid människor som protesterar mot tiden och pengar som ett sådant företag skulle kräva och hävdar att dessa pengar skulle användas bättre för att lösa problem här Jorden. Och onekligen, särskilt under det senaste året, har vi sett sprickorna i systemen som ska stödja de grundläggande behoven hos många, som bostäder, utbildning och hälsovård.

Men, påpekar Hecht, vi spenderar inte bara pengar på att uppfylla livets grundläggande krav. Han beskrev frenetiskt att försöka få ihop 1 miljon dollar i finansiering för att sätta en ny vetenskaplig utrustning på Mars, och att slå på TV: n för att se annonserna som spelades under Super Bowl. Kostnaden för varje 30-sekundersplats kunde ha betalat för hans utrustning flera gånger om.

"Vi spenderar pengar på alla möjliga dumma saker som Super Bowl-annonser," sa han. "Och väldigt många av dem har att göra med vår personliga njutning av livet och tillfredsställelse - oavsett om det är sport, om det är bibliotek, om det är konst, om det är musik, om det är parker. Vi skulle vara en ganska dålig ursäkt för ett samhälle om det enda vi skulle lägga pengar på var mat och tak över huvudet.”

När det kommer till utforskning av rymden har vi möjlighet att lära ut och inspirera, och, kanske viktigast av allt, att förstå mer om universum och vår plats i det. Om vi ​​vill svara på några av de största frågorna i livet: Var vi kom ifrån och om vi är ensamma i universum - då måste vi ge oss ut utanför vår planet och utforska.

Vad vi lär oss av utforskning

Många förespråkare för Mars-utforskning kommer att hävda att vi borde resa till Mars eftersom det finns specifika saker vi kan lära oss där om jorden. Från att studera några av de äldsta stenarna i solsystemet att lära sig om jordens bildning för att studera klimat För att få insikter i den akuta frågan om klimatförändringar finns det många sätt som upptäckter på Mars kan förbättra livet här på jorden.

Men för Hecht, att försöka rättfärdiga rymduppdrag på detta sätt "flyger i ansiktet på historien. I den meningen att ja, det har alltid funnits de där påtagliga fördelarna [till utforskning]. Men vi har inte varit särskilt bra på att förutsäga dem. Det är det som är underbart med det. Du går och utforskar något nytt och du lär dig något du aldrig förväntat dig att lära dig.”

Vi vet helt enkelt inte vad vi kommer att upptäcka från Mars förrän vi åker dit. Det har alltid varit sant för vetenskapliga upptäckter - från oavsiktliga upptäckter av penicillin eller röntgenstrålar till det sätt som teknik utvecklad för Apollo-månuppdragen leda till bättre njurdialysmaskiner och förbättrad skyddsutrustning för brandmän.

Och bortom de pragmatiska fördelarna med att utveckla teknik och vetenskaplig kunskap, finns det en djupare drivkraft att utforska. "Jaktandet efter kunskap är det som gör oss till människor," sa Hecht.

"Vi har gjort det här sedan första gången vi slog två stenar ihop. Vi strävar efter kunskap. Och utforskandet av nya platser - det är därför det inte finns ett hörn av jordklotet där människor inte har satt sin fot, inklusive havets botten. Det är vad vi gör."

Redaktörens rekommendationer

• Cosmic comms: Hur de första människorna på Mars kommer att kommunicera med jorden
• Astropsykologi: Hur man håller sig frisk på Mars
• Kraftverk på andra planeter: Hur vi genererar elektricitet på Mars
• Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars