Mars, czyli mrzonki Muska o ludziach na czwartej planecie

Miniony tydzień przyniósł pewną okrągłą marsjańską rocznicę. Po ośmiu miesiącach podróży, 15 lipca 1965 roku, wystrzelona przez NASA sonda Mariner 4 dotarła na orbitę wokół Marsa. Wtedy właśnie po raz pierwszy inna planeta naszego układu została sfotografowana z bliska, nie przez ziemskie teleskopy.

Wykonanych przez Marinera 4 zdjęć było niewiele, w sumie nieco ponad dwadzieścia, pokazywały rozległe i puste przestrzenie z rzadka pokryte kraterami. Mars okazał się pustynią.

Podobne krajobrazy mogą zobaczyć podczas wycieczek na pustynię turyści w Maroku czy Algierii. Większość zdjęć do filmu „Marsjanin” nakręcono w malowniczej dolinie Wadi Rum w Jordanii.

Dzięki Elonowi Muskowi coraz więcej ludzi sądzi, że już niebawem na Marsa dotrą ludzie, zbudują tam siedziby i założą kolonię. To szczególna obsesja Muska. Starzejące się Słońce zacznie się powiększać, aż w końcu pochłonie Ziemię, więc kolonizacja planet jest nieunikniona.

Musk zapomina dodać, że zagłada czeka Ziemię dopiero za kilka miliardów lat. Nie musimy się nigdzie spieszyć. Nie dodaje też, że pomysł kolonii na Marsie raczej nie ma wielkich szans powodzenia.

Księżyc 53 lata później

Idea kolonizacji, jak się wydaje, jest wpisana w ludzkie geny. Wszyscy mieszkańcy globu pochodzą od kilkudziesięciu tysięcy osób, które uznały, że Afryka jest dla nich za ciasna i podbiły Europę i Azję. Austronezyjczycy, którzy pierwotnie zamieszkiwali Tajwan, zasiedlili niemal wszystkie wyspy Pacyfiku. Stało się to tysiące lat wcześniej, zanim Europejczycy podbili obie Ameryki.

Ludzkość zbudowała siedziby nawet na ostatnim nietkniętym skrawku lądu, Antarktydzie. Po czym wyruszyła na podbój kosmosu. Cztery lata (i pięć dni) po tym, jak Mariner 4 zrobił pierwsze zdjęcia Marsa z bliska, 20 lipca 1969 roku na Księżycu wylądowała załoga Apollo 11.

W sumie po Księżycu stąpało dwunastu astronautów. Ostatnim był Eugene Cerman w grudniu 1972 roku. Po nim, od 53 lat już żaden człowiek nie oddalił się od Ziemi więcej niż na 400 km – na tej wysokości krąży Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Nie bez powodu.

Kosmiczny wyścig mocarstw

Rozwój technologii rakietowej i kosmicznej jest bezpośrednim pokłosiem drugiej wojny światowej. Gdyby nie ogólnoświatowy konflikt zbrojny, prawdopodobnie nie rozwinęłaby się też fizyka jądrowa, której obok bomby atomowej zawdzięczamy także jądrowe elektrownie. Wojna i fizyka rakietowa idą ramię, o czym pisali w książce „Accessory to War” Neil deGrasse Tyson i Avis Lang.

Po drugiej wojnie światowej trwała zimna wojna i wyścig zbrojeń. Na technologie rakietowe przeznaczano znaczne fundusze, bo rakiety miały przenosić jądrowe ładunki. W loty w kosmos oba mocarstwa zainwestowały ze względów prestiżowych. Związek Radziecki pierwszy wysłał Jurija Gagarina na orbitę. Stany Zjednoczone odpowiedziały programem Apollo i symbolicznie zajęły Księżyc.

Sprzyjał temu klimat ekonomiczny. Wysokie podatki finansowały odbudowę gospodarek z wojennych zniszczeń. Dziś trudno uwierzyć, że najwyższa stawka podatkowa w USA w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku wynosiła ponad 90 procent (z czasem systematycznie spadała, ale do roku 1980 wynosiła 70 procent).

Cały koszt trwającego półtorej dekady programu Apollo wyniósł 20,4 miliardów ówczesnych dolarów, co po uwzględnieniu inflacji wynosi mniej więcej 160 miliardów dzisiejszych dolarów. Budżet NASA pochłaniał wtedy od 2 do 4,5 procent całego budżetu federalnego. Dziś wynosi niespełna pół, mizerne 0,4 procent.

Cóż, od czasów Ronalda Reagana podatki w USA (i na całym świecie) systematycznie spadały. Najwyższa stawka podatkowa to dziś niecałe 40 procent – niemal dwa razy mniej niż w czasach wczesnego podboju kosmosu. Nie bez znaczenia były też cięcia budżetu NASA wywołane kryzysem paliwowym oraz przekierowaniem funduszy w latach 80. na wydatki wojskowe – wyścig zbrojeń w kosmosie.

Kosmos? Sprywatyzować

W miarę tego, jak budżet NASA się kurczył, coraz większą rolę zaczęli odgrywać prywatni inwestorzy. Co drugi obiekt (i większość, bo aż 85 procent satelitów) wynosi dziś na orbitę należąca do Muska firma SpaceX. Jej przychody za ubiegły rok to 15,5 mld dolarów. To sporo. Jednak na koszt programu Apollo (w dzisiejszych dolarach) firma Muska musiałaby wydawać całe swoje przychody – nie zyski – przez dwie dekady.

Jest jedna zasadnicza różnica. Podróż na Księżyc wymagała pokonania 380 tysięcy kilometrów. Na Marsa (gdy jest po tej samej stronie Słońca, co Ziemia) jest nieco ponad 54 miliony kilometrów, czyli 142 razy dalej.

W 2016 roku NASA szacowała, że koszt załogowej wyprawy na Marsa wyniesie 500 miliardów dolarów. Jednak uwzględniając ludzkie potrzeby (powietrze, wodę, żywność), będzie to koszt cztery razy wyższy – dwa biliony dolarów.

Dyrektor Mars Institute, organizacji częściowo finansowanej przez NASA, szacował w wywiadzie z magazynem Money, że koszt wysłania czterech osób na Czerwoną Planetę wyniesie mniej więcej bilion dolarów, a przedsięwzięcie zajmie przynajmniej ćwierć wieku.

„Jeśli sądzimy, że coś takiego będzie chciała zrobić prywatna spółka, jesteśmy naiwni. Nie chodzi nawet o to, że nie ma na świecie spółek, dysponujących takim kapitałem. Przede wszystkim trzeba zapytać, jaki zysk miałaby mieć prywatna spółka z tego, że wyśle ludzi na inną planetę? Czy plany podboju Marsa nie są przypadkiem tylko marketingowym zabiegiem wokół kosmicznego biznesu, wynoszącego na orbitę komercyjne satelity?” – pisałem sześć lat temu w magazynie Holistic.

Na Marsa za dwa lata? Na razie nie ma czym

W inauguracyjnym wystąpieniu w Kongresie prezydent Donald Trump zadeklarował, że chce postawić flagę Stanów Zjednoczonych na Marsie. Powtórzył tę obietnicę podczas posiedzenia Kongresu w marcu 2025 roku.

Elon Musk zapewniał, że jest całkiem pewien, że wyśle kilka swoich statków Starship w ciągu dwóch lat, a jeśli te próby się powiodą – załogową misję w ciągu lat czterech.

Jedyne z czego wynikają te daty to fakt, że otwiera się właśnie dogodne do podróży na Marsa okno – przez najbliższe kilka lat będzie po tej samej stronie Słońca, co Ziemia, a to skraca podróż z 400 mln kilometrów do 54 milionów.

Jak pisał w marcu w “Scientific American” Paul M. Sutter (astrofizyk z Johns Hopkins University i popularyzator nauki) – to jakby w stwierdzić, że w najbliższy weekend jedziemy na kemping. Tyle że nie mamy żadnego wyposażenia, a jedyny samochód właśnie wybuchł.

Największa rakieta kosmiczna firmy SpaceX składa się z dwóch członów, czyli inaczej stopni. Pierwszy (nazywany Super Heavy) jest rakietą nośną, drugi statkiem kosmicznym (nazwanym Starship).

Do dziś odbyło się dziewięć startów Starshipów. Jedynie trzy zakończyły się udanym powrotem na Ziemię. Pozostałych sześć zakończyło się katastrofami, w których jeden lub obydwa człony ulegały zniszczeniu.

Lista problemów do rozwiązania jest długa

Kwestia „braku samochodu na tę wycieczkę”, to jedna sprawa, jest jednak wiele innych problemów.

Lot na Marsa potrwa około roku do półtora. Rekordziści spędzali już ponad rok w przestrzeni kosmicznej, na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Tyle że stacja krąży 400 km nad Ziemią. Astronauci mogą liczyć na wsparcie techniczne i dostawy z Ziemi.

Podczas podróży na Marsa odległość sprawi, że astronauci będą pozostawieni sami sobie. Dobrze byłoby być przygotowanym na wiele kryzysowych scenariuszy, jednak nikt tego jeszcze w żaden sposób nie przećwiczył (bo i nie było na czym).

A jest co ćwiczyć.

Podczas lotu na Marsa trzeba będzie tankować około 10 do 20 razy. Nikt jeszcze nie próbował tankować w kosmicznej próżni, bo i nie było takiej potrzeby. Na Marsa docierały bezzałogowe sondy kosmiczne (i to kilkanaście). Rakiety wynosiły takie sondy na odpowiednią orbitę, nadając im odpowiednie przyspieszenie. Potem sondy leciały siłą bezwładności, przędkość wytracały krążąc wokół Marsa, po czym spadały na jego powierzchnię (taki lot trwa zwykle dużo dłużej niż rok).

Atmosfera Marsa jest tak rozrzedzona, że nie pozwala na hamowanie. Cztery z czternastu wysłanych na tę planetę lądowników (dwa rosyjskie, amerykański i europejski) tego manewru nie przetrwały. Nie można podjąć takiego ryzyka w przypadku misji załogowej. Wysłany na Marsa statek musi łagodnie osiąść hamując za pomocą silników (kierując strumień gazów odrzutowych ku powierzchni planety). Tego manewru nigdy nie ćwiczono, znów oznacza to, że odpowiednie rozwiązanie trzeba dopiero opracować.

Wreszcie, jeśli astronauci mają kiedyś wrócić na Ziemię, trzeba będzie im dostarczyć paliwo na drogę powrotną. Można próbować je wyprodukować na miejscu z marsjańskiej wody i dwutlenku węgla, ale potrwa to miesiące, bowiem oba składniki występują w ilościach śladowych (tamtejsza atmosfera jest tysiąc razy rzadsza od ziemskiej).

Zwykle od pomysłu na rozwiązanie techniczne do jego wdrożenia mija, lekko licząc, od dekady do dwóch. Trump obciął o połowę budżet NASA na badania naukowe, więc NASA raczej w rozwiązywaniu technicznych problemów firmie Muska nie pomoże.

Podtrzymywanie życia w kosmicznej próżni

Te problemy techniczne to błahostka w porównaniu ze zderzeniem biologii z kosmosem. Ludziom, zarówno w kosmicznej podróży, jak i na powierzchni Marsa, trzeba zapewnić warunki do życia.

Trzeba mieć system utrzymujący ziemskie ciśnienie (na Marsie jest dwieście razy niższe), odzyskujący tlen (wdychamy powietrze o zawartości około 21 procent tlenu, wydychamy go już tylko 16 procent, zwiększa się za to zawartość dwutlenku węgla z około 0,04 proc. do 4 procent), usuwający niepożądane gazy i zapachy (metan z gazów jelitowych, amoniak z potu) oraz odzyskujący wodę (z wydychanej pary wodnej oraz, co nieuniknione, moczu astronautów).

Taki „system podtrzymywania życia”, czyli Environmental Control and Life Support System (ECLSS), działa na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Jest wielkości sporej szafy. Do jego skonstruowania potrzebna była współpraca NASA i czterech dużych koncernów (UTC Aerospace Systems, Boeinga, Lockheeda Martina i Honeywella). Moduł na stacji kosmicznej testowany jest z powodzeniem od ćwierć wieku, czyli odkąd na jej pokładzie przebywają astronauci.

Starship również ma mieć taki system. Kiedyś. Na razie Starship nie odbył jeszcze lotu załogowego i trudno określić, kiedy mógłby go odbyć. Ostrożne szacunki mówią o połowie 2026 roku.

Choroba lokomocyjna popromienna

„Warunki do życia” to także ochrona przed promieniowaniem. Kosmiczną przestrzeń przemierzają protony, cząstki alfa (czyli jądra helu) i jądra innych lekkich pierwiastków rozpędzone do prędkości bliskich prędkości światła. Pochodzą z wybuchów gwiazd (nowych i supernowych), a w Układzie Słonecznym z rozbłysków na Słońcu.

Na Ziemi jesteśmy bezpieczni, bo przed naładowanymi elektrycznie cząstkami chroni nas ziemskie pole magnetyczne, które je wyłapuje. Bezpieczni są też astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która krąży 400 km nad Ziemią, bowiem ziemskie pole magnetyczne rozciąga się aż do około 60 tysięcy kilometrów od Ziemi.

Gdy zmierzająca na Marsa rakieta opuści ziemską magnetosferę, astronautów przed promieniowaniem chronić będzie jedynie ściana statku. Wystarczy do ochrony przed cząstkami ze Słońca, ale cząstki pochodzące spoza naszego układu są znacznie bardziej rozpędzone. Uderzając w przeszkodę, wywołują promieniowanie wtórne. To promieniowanie jest jonizujące – tak samo jak promieniowanie z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych.

Poziom pochłoniętego promieniowania jonizującego mierzy się w milisivertach (mSv). Podczas trwającej rok do półtora podróży na Marsa astronauci, jak obliczono, pochłonęliby od 500 do 1000 mSv (milisiwertów). Ta wyższa wartość jest bardzo bliska granicy, przy której może wystąpić choroba popromienna.

Można oczywiście o tym pamiętać i wzmocnić osłony statku. To jednak zwiększa jego masę, a co za tym idzie ilość paliwa potrzebną do wyniesienia go na orbitę. Ta ilość paliwa nie rośnie proporcjonalnie do przyrostu masy statku, a znacznie szybciej. (Dodatkowa ilość paliwa na pokładzie statku zwiększa również masę do wyniesienia na orbitę, więc ilość paliwa rośnie nie liniowo, a wykładniczo. Wraz z tym rośnie i koszt).

Wyprawa, która szkodzi na serce (i głowę)

Jeff Hoffmann, były astronauta NASA i dyrektor Man Vehicle Lab w Massachusetts Institute of Technology, komentując wpływ promieniowania kosmicznego na zdrowie astronautów, powiedział w 2016 roku „Guardianowi”: „Nie mogliśmy kiedyś i nadal nie możemy chronić astronautów przed wysoką energią promieniowania kosmicznego. Nie przy naszych obecnych ograniczeniach ze strony masy pojazdów kosmicznych, które chcemy oderwać od Ziemi i skierować w stronę Marsa. Te badania tylko potwierdzają to, co już wiemy – musimy dotrzeć na Marsa tak szybko, jak to tylko możliwe. Im mniej czasu spędzasz w głębokiej przestrzeni kosmicznej, tym mniej jesteś narażony na skutki promieniowania”.

Hoffmann komentował badania, z których wynika, że astronauci misji Apollo są pięć razy bardziej narażeni na śmierć z powodu chorób serca niż astronauci, którzy nie opuszczali nigdy ziemskiego pola magnetycznego.

Charles Limoli z Instytutu Badań nad Rakiem Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine badał, co czyha w kosmosie na mózgi.

Napromieniowane gryzonie wykazywały mniejszą ciekawość w nowych dla siebie sytuacjach i większe zdezorientowanie. U ludzi takie zmiany neurologiczne mogą się przekładać na gorszą orientację przestrzenną i słabszą zdolność przypominania sobie informacji. Obniżenie wydajności, braki pamięci, dezorientacja i brak koncentracji – takie mogą być skutki podróży na Czerwoną Planetę.

Mars ma niezwykle słabe pole magnetyczne, więc problem z promieniowaniem na jego powierzchni nie jest wcale dużo mniejszy, niż podczas podróży.

Łopaty czy koparki, czyli marsjańskie ziemianki

Załóżmy, że jakoś rozwiązaliśmy już problem ochrony przed promieniowaniem podczas podróży, problem tankowania, a także bezpiecznego lądowania (ostrożnie szacując, powinno to zająć dekadę do dwóch).

Astronauci otwierają właz statku. Witajcie na Czerwonej planecie – mroźnej, pozbawionej wody i powietrza pustyni. Zwiedzać ją można tylko w skafandrach kosmicznych. Żyć można tylko na statku.

Malowniczo wyglądające budynki marsjańskich kolonii? Mogą powstać, jeśli przybędą kolejne transporty (każdy kosztem biliona dolarów) z prefabrykatami do budowy siedzib. Nie mogą być to tylko gołe ściany do złożenia. Każdy marsjański budynek potrzebować będzie osobnego systemu podtrzymywania życia.

W rzeczywistości, aby uchronić się przed skutkami promieniowania, astronauci na Marsie prawdopodobnie musieliby zamieszkać pod jego powierzchnią. Na pewno byłoby to znacznie tańsze (i prostsze) niż budowa schronienia na powierzchni.

Trudno sobie wyobrazić, że astronauci w grubych i ciężkich skafandrach kopią sobie marsjańskie ziemianki łopatami. Do tego potrzebna będzie koparka. Jeśli koparka, to części zamienne, smary, akumulator i panele słoneczne do jej ładowania… (zapiszmy to na liście „do zabrania”).

Marsjańskie burze, czyli brak zasilania

Właśnie, zasilanie. Słońce na Marsie świeci dwa razy słabiej, więc dwa razy większą powierzchnię muszą mieć panele fotowoltaiczne. Nie zawsze będzie można na nich polegać.

Mars słynie z pyłowych burz. Raz na kilka lat obejmują całą planetę. Nie przypominają burzy z filmu „Marsjanin". Marsjańska atmosfera jest bardzo rozrzedzona, siła wiatru jest zbyt mała, żeby przewrócić człowieka czy łazik. Powodują inny problem.

W rozrzedzonej marsjańskiej atmosferze pył unosi się bardzo wysoko i utrzymuje się nawet miesiącami. Jedna z pyłowych burz, która objęła całą powierzchnię Marsa w 2018 roku, unieruchomiła łazik Opportunity. Kontrola misji musiała go przełączyć na awaryjny „tryb przetrwania". Niewiele to pomogło. Po 15 latach nieprzerwanej pracy jego ogniwa fotowoltaiczne pokrył marsjański pył.

Na Marsie przyda się zatem i „zasilanie awaryjne”, na przykład z generatorów. To kolejna rzecz, jaką należałoby zabrać z Ziemi (lista rzeczy do zabrania coś się nam wydłuża).

Jeśli generator, to paliwo. Można je produkować z dwutlenku węgla i wody, jednak to metoda bardzo mało wydajna nawet na Ziemi, a cóż dopiero przy rozrzedzonej marsjańskiej atmosferze.

Ziemniaki na Marsie to fikcja

Zapomnieliśmy o jedzeniu. Przez rok podróży astronauci muszą jeść – przeciętny człowiek zjada od 500 do 900 kg pożywienia rocznie. Wszystkie zapasy trzeba zabrać z Ziemi, o uprawie ziemniaków (znów „Marsjanin”) można zapomnieć.

Marsjańska gleba zawiera nadchlorany (sole kwasu nadchlorowego). Są toksyczne dla znanych nam organizmów żywych. Stężenie tych związków w ziemskiej glebie jest niskie, rzędu 0,03 do 0,1 procent (300-1000 mg/kg). Powstają głównie w wyniku uderzeń piorunów (rzadziej w pustynnych glebach, gdy chlorki utleniają się do chloranów, co wymaga obecności tlenku tytanu).

W marsjańskiej glebie jest ich przynajmniej pięć-sześć razy więcej, być może i trzydzieści razy tyle, gdyż zawiera ona od 0,5 do 1 procenta (5000 -10 000 mg/kg) nadchloranów. Naukowcy sugerują, że takie ich stężenie stanowi zagrożenie dla przyszłych astronautów.

O ziemniakach uprawianych na Marsie można zapomnieć również z innego powodu. Przeszklone wizualizacje NASA są bardzo miłe dla oka.

Musiałoby to jednak być specjalnie wzmocnione i odpowiednio grube szkło, które wytrzyma różnicę ciśnień około tysiąca hektopaskali (między zbliżonym do ziemskiego, a tym na zewnątrz). No i trzeba by je zabrać z Ziemi. Chyba, że chcemy zabrać mały piec do wytopu szkła i niedużą walcownię.

Ludzie na Marsie? Nie tak prędko (jak twierdzi Musk)

Lista problemów do rozwiązania przed wylotem na Marsa jest dość długa. Zaczyna się od braku niezawodnego i przetestowanego środka transportu. Nie jest wykluczone, że Starship okaże się nim w przyszłości, niemniej na razie jedynie trzy z dziewięciu prób startu nie skończyły się katastrofą.

Wyprawa załogowa na Marsa, jak szacują eksperci, wymagać będzie wyłożenia około dwóch bilionów dolarów. Oczywiście za tę kwotę można byłoby zrobić coś znacznie bardziej pożytecznego na Ziemi – ale na razie etyczny aspekt tej wyprawy zostawmy.

Przede wszystkim jest to kwota przyprawiająca o zawrót głowy. To połowa przychodów budżetowych Stanów Zjednoczonych w ubiegłym roku. Majątek Muska przy tym blednie. Bloomberg szacuje go na 380 mld dolarów, Forbes na 425 mld dolarów, ale jest to wartość posiadanych przezeń akcji Tesli i SpaceX.

Trudno uwierzyć, że USA zdecydują się na odpowiednik „marsjańskiego programu Apollo” i będą wydawać przez wiele lat po kilka procent budżetu na podróż na Marsa – nawet przy budżecie NASA na poziomie 5 procent federalnego zajęłoby to lat dwadzieścia. Jeszcze dłużej zajęłoby to Muskowi i jego SpaceX.

Osobną kwestią jest ekonomia tego przedsięwzięcia. Póki SpaceX inwestuje w satelity Starlink (które przynoszą mu ponad 8 mld dolarów rocznie) oraz wynoszenie satelitów innych firm na orbitę (prawie 5 mld rocznie), biznes się spina. Prace nad rakietą Starship również mają komercyjny sens, bo NASA chce zapłacić za jej kurs na Księżyc. Misja (nazwana Artemis) planowana jest na 2026 lub 2027 rok, trzeba jednak przyznać, że to optymistyczny termin.

Być może udana współpraca SpaceX i NASA doprowadzi kiedyś do załogowego lotu na Marsa. Na pewno nie stanie się to, jak obiecuje Musk, jeszcze w tej dekadzie. Plany założenia marsjańskiej kolonii można póki co wsadzić między bajki.

Na razie bardziej prawdopodobne jest to, że satelity Starlink Muska zafundują nam drugą dziurę ozonową. Bo każdy start rakiety wygryza w niej dziurę.