Fase 4 Oltre il 2035 - Missioni umane verso Marte
La quarta e ultima fase della roadmap di programmazione dell’ESA è completamente dedicata all’esplorazione umana di Marte, con un obiettivo ovviamente sul lunghissimo periodo e attualmente fonte esclusivamente di studi di fattibilità.
Attualmente sono stati solamente esplorati alcuni diversi scenari ma senza portarne uno o più in maggiore attenzione non avendo oggi le necessarie conoscenze tecnologiche e richieste per un genere tale di missione.
I due tipi attualmente valutati di missione prevedono approcci derivati direttamente dalla meccanica celeste e da questa influenzati.
Il primo, definito “Opposition Class”, si compone di periodi di viaggio piuttosto lunghi (circa 300 giorni) e una permanenza piuttosto breve (40 giorni) sul suolo Marziano, questo tipo di missione prevede grandi variazioni di velocità con relativo alto consumo di propellente.
L’altro approccio è definito, “Conjunction Class” e ha periodi di viaggio sensibilmente più brevi (150 giorni circa) ma obbliga ad una permanenza sul suolo Marziano intorno ai 500 giorni e permette consumi ridotti di propellente.
L’approccio attualmente preferibile è il secondo, potendo necessitare di minori risorse anche se comporta una durata complessiva di missione più lunga (circa 2 anni e mezzo). Le opportunità per tale tipo di missione avvengono solo ogni 2 anni e durante la permanenza sul suolo Marziano è assolutamente proibitivo alcun tipo di ritorno d’emergenza durante i 500 giorni previsti.
E’ quindi obbligatoria la necessità di poter supportare la vita umana in un ambiente così ostile per tutto questo tempo.
Lo scenario attualmente previsto, prima dell’invio dell’uomo prevede che siano trasportati sul luogo previsti del soggiorno già tutte le tecnologie e le risorse necessarie (rover, habitat, alimenti ecc…), in particolare, grazie a questo tipo di scenario è possibile dividere l’invio del materiale su più lander di dimensioni quindi contenute (intorno agli 8.8m, usando Ares V) per ottimizzare le risorse e allo stesso tempo, le missioni di predisposizione al soggiorno saranno ugualmente valide come missioni di certificazione delle attrezzature senza dover prevedere uomini a bordo.
L’equipaggio previsto è attualmente fissato in 4 astronauti anche se per un maggiore ritorno scientifico il numero ottimale potrebbe essere di 6 persone.
Il concept prevede attualmente la costruzione di un modulo per la navigazione interplanetaria, sia in andata che in ritorno e che permane in orbita marziana durante il soggiorno, con le tecnologie in fase attualmente di studio e prevedibilmente disponibili intorno al 2035 sarà possibile realizzare moduli gonfiabili di questo tipo, in grado di limitare enormemente il peso e massimizzare il volume. La tecnologia degli ambienti gonfiabili offre comunque ancora degli interrogativi, come ad esempio il livello di schermatura alle radiazioni, gli allestimenti interni e la rischiosità nell’avere un unico ambiente che aumenterebbe di molto i rischi in caso di depressurizzazione.
Per quanto riguarda il modulo abitativo sulla superficie marziana potrebbe essere concettualmente simile a quello utilizzato durante il viaggio, anche in questo caso, come sulla Luna, ci si sta orientando verso un accesso tramite suitlock anche per gli habitat, in modo da preservare l’ambiente interno dalla polvere, con la presenza in parallelo anche di un normale airlock per effettuare rientri in caso di problemi o emergenza o per spostare dentro e fuori del materiale.
Il sistema di approvvigionamento energetico sarà basato su reattori nucleari di potenza ipotizzabile intorno ai 50kW e senza la necessità di rifornimenti o manutenzioni, in parallelo è ipotizzabile un sistema di produzione “in situ” di ossigeno, acqua e aria.
I rover, che ovviamente derivaranno direttamente dall’esperienza accumulata sulla Luna, saranno pressurizzati e con prestazioni di trasporto e supporto vitale per 2 persone per 15-20 giorni di esplorazione e ricerca scientifica.
I sistemi qui sopra descritti sono strettamente legati e simili a quelli impiegati sulla Luna e il loro sviluppo direttamente derivato da essi, in particolare saranno quasi praticamente identici gli RTG, RHU, celle a combustibile, ECLSS, sistemi di protezione dalle radiazioni, sistemi di mobilità, produzione ISRU e sistemi robotici.
Al termine della missione il sistema di partenza dovrà essere in grado di trasportare l’equipaggio in orbita circolare marziana di 500km, l’attuale progetto prevede un mezzo a due stadi per 4 persone, dal peso di circa 30ton e di forma conica.
Per l’intera missione verso Marte è preventivabile un “treno” composto dal “transfer habitat” (50ton se fornito di produzione energetica solare e 35ton se nucleare), un habitat superficiale di 32ton circa in entrambi i casi, altri sistemi da spedire sulla superificie per un totale di 22.1ton se alimentati da RTG e 30ton se da pannelli solari e infine il modulo di risalita da circa 30ton.
In totale per l’intera missione sarà necessario inviare sulla superificie circa 90ton di materiale e altre 40-50ton in MLO.
Per il materiale richiesto è attualmente prevista la suddivisione in 3 distinti “invii” da 30ton ciascuno su tre diversi lander lanciati con il lanciatore Ares V di cui uno in grado di trasportare l’equipaggio e alcune attrezzature.
Per quanto riguarda il viaggio fra la Terra e Marte, sia in andata che in ritorno è ancora in fase di valutazione l’utilizzo di propulsione elettro-solare per alcune parti del “treno”.
Sarebbe infatti possibile inviare in EML1 tutto il materiale attraverso la propulsione chimica utilizzando differenti lanci in modo da evitare lunghe spirali, potenzialmente dannose per le attrezzature, attraverso le fasce di Van Allen, da lì un tug elettro-solare potrebbe trasportare verso Marte e quindi ritornane in L1 il cargo, da qui riprenderebbe la seconda parte della missione trasportando l’equipaggio.
La prima parte della missione cargo potrebbe trasportare l’habitat e le attrezzature per un totale di circa 100ton in MLO, il modulo propulsivo è basato sull’attuale propulsore NASA Xe-NASA 457, unendo 46 di questi thruster, per un totale di 100N di spinta e un ISP di 2929sec. e 2.5MW di potenza richiesta per tutto il viaggio.
In totale sono necessarie circa 100ton di propellente per effettuare il viaggio EML1 - LMO e circa 7 lanci di Ares V per effettuare il montaggio prima della prima missione. Il vantaggio è nella riutilizzabilità del sistema per le successive missioni.
Per la parte di missione con equipaggio, come detto è necessario trasportare in LMO circa 100ton di materiale e 50ton circa dovranno tornare indietro in EML1 al ritorno.
In totale sono previsti circa 10 lanci per trasportare tutto il materiale e il propellente in EML1 portando a 17 i lanci totali necessari per la missione completa, un numero oggettivamente troppo alto per optare oggi, con le tecnologie attuali verso questo tipo di approccio e sistema propulsivo, ancora molto svantaggioso rispetto ai sistemi tradizionali, considerando soprattutto un approccio completamente basato sui propellenti chimici/criogenici, che avrebbe un numero di lanci di poco inferiore ma costi di sviluppo e produzione nettamente inferiori.
Un approccio totalmente differente prevede l’utilizzo di propulsori termo-nucleari e un’inserzione orbitale per “aero-capture” per la parte cargo, limitando i costi in propellente alla partenza.
In questo caso sarebbero richiesti 2 lanci di Ares V per il cargo, 1 per la parte manned e 3 per i tug nucleari relativi ai precedenti lanci. Per entrambi i “treni” (manned e cargo) sarebbe utilizzato un tug nucleare che partirebbe da un’orbita sicura per la propulsione nucleare. Un approccio simile ma con il payload più frazionato e che preveda docking in orbita potrebbe anche essere fattibile utilizzando il lanciatore da 50ton realizzato per le fasi precedenti.
La parte della missione manned sarebbe composta da due lanci di Ares V (uno per l’habitat e uno per il tug) più uno per il lancio dell’equipaggio che porterebbe ad un docking con il complesso fornendo anche la capsula per il rientro al termine della missione.
Lo scenario permetterebbe una drastica riduzione dei lanci necessari (6 Ares V) contro i 10 necessari con propulsione chimica, ma le sfide tecnologiche per arrivare a questo sono oggi molte, a partire dai sistemi di raffreddamento criogenici per il tug, l’aerocapture, i radiatori necessari e propulsori altamente modulabili.
In conclusione la realizzazione di una missione umana verso Marte richiede oggi molte tecnologie e ricerche non conosciute sufficientemente, come ad esempio la biologia delle radiazioni, l’ambiente marziano, il supporto vitale su un altro pianeta e probabilmente studi comparativi fra diverse propulsioni alternative.
Per quanto riguarda le missioni automatiche a supporto non sono particolarmente impegnative tecnologicamente, riguardando sistemi di comunicazione e navigazione ben collaudate già oggi con la presenza di orbiter nella corrispondente orbita geostazionaria di Marte.
In allegato
- Schema riassuntivo della Fase 4
- La scheda del Transit Hab
- La scheda dell’Hab di superficie
- La scheda del rover pressurizzato
- La scheda del modulo di risalita
