Na drodze do gatunku międzyplanetarnego, czyli co musimy zrobić, żeby skolonizować Marsa i jakie są przeszkody

Zacznijmy od największego problemu. Dane pozyskane z sondy ExoMars jasno wskazują, że astronauci wybierający się w podróż na Marsa otrzymaliby nawet 60 proc. dawki promieniowania przewidzianej na cały okres ich kariery. I nie jest to jedyny problem związany z misjami załogowymi na Czerwoną Planetę.

Zanim jednak przejdziemy do kolejnych niebezpieczeństw, warto zacząć od samego promieniowania. Z pomiarów uzyskanych przez sondę ExoMars Trace Gas Orbiter wynika, że według obecnie dopuszczalnych przez ESA limitów promieniowania, astronauci musieliby zakończyć swoją karierę po odbyciu jednej podróży na Marsa. No dobrze, może nie zakończyć, ale na pewno nie mogliby polecieć drugi raz na Czerwoną Planetę.

Z analiz NASA wynika, że podczas 18-miesięcznej misji na powierzchni Marsa i dwóch lotów - tam i z powrotem - astronauci otrzymaliby 1010 milisiwertów (mSv). Przeciętny człowiek, który prowadzi zupełnie zwykłe życie na Ziemi rocznie przyjmuje ok. 3 mSv promieniowania. Załogi samolotów pasażerskich, ze względu na przebywanie przez dłuższy czas w rzadszej części atmosfery otrzymują 5 mSv. Pracownicy elektrowni jądrowych, według ustalonych norm mogą z kolei przyjąć rocznie 20 mSv promieniowania.

Mamy więc już jakąś skalę odniesienia, z której wynika, że 1010 mSv to dość sporo. Pamiętajmy jednak, że jest to dawka, która byłaby rozłożona w czasie. 12 miesięcy podróży w obie strony i 18 miesięcy spędzone na Marsie daje łącznie 2,5 roku ekspozycji na zwiększone promieniowanie - 400 mSv/rok. Z jednej strony jest to ogromna liczba. Z drugiej nie oznacza ona, że u każdego astronauty, który poleci na Marsa zacznie rozwijać się jakiś nowotwór.

Rdzenni mieszkańcy miasta Ramsar w Iranie, mieszkający w kamiennych domach wybudowanych z radioaktywnego wapienia otrzymują rocznie około 250 mSv i żyją. Tzn. u niektórych z nich pojawiają się nowotwory, ale statystyka ta nie odbiega od średniej światowej. Większa dawka promieniowania oczywiście zwiększa ryzyko, ale nie oznacza, że ktoś, kto przyjmie marsjańską dawkę, musi zachorować na raka.

Pamiętajmy też, że wyniki przedstawione przez ESA i NASA zostały wyliczone w oparciu o dzisiejsze możliwości statków kosmicznych, jeśli chodzi o ochronę przed promieniowaniem. Bardzo możliwe, że już wkrótce dysponować będziemy po prostu lepszą technologią, która w znacznym stopniu zredukuje liczbę przyjmowanych przez astronautów milisiwertów. NASA zresztą planuje przetestować kilka takich rozwiązań podczas załogowej misji statkiem Orion MPCV na orbitę Księżyca.

Promieniowanie nie jest zresztą jedynym problemem, jeśli chodzi o długie podróże w kierunku niezamieszkałych planet. Kosmiczne środowisko ma ogromny wpływ na nasze procesy fizjologiczne. Eugene Cernan, po udziale w 3-dniowej misji Apollo 17 dochodził do siebie przez ponad pół roku. David A. Wolf po niespełna 5 miesiącach na stacji MIR stracił 40 proc. swojej masy mięśniowej, 12 proc. kostnej i schudł 10 kg. Powrót do dawnego siebie zajął mu dwa lata.

O jaskrze i innych problemach wywoływanych przez diametralną zmianę ciśnienia nawet nie wspominam. A to nie koniec. Do dzisiaj nie poznaliśmy pełnego wpływu, jaki na nasz organizm ma środowisko kosmiczne. Nie wiemy np. do dzisiaj, czy złamana kość zrośnie się normalnie w stanie nieważkości.

Może nie brzmi to strasznie sensacyjne, ale podczas ponad 2-letniej misji na inną planetę, warto wiedzieć takie rzeczy. Na szczęście agencje kosmiczne doskonale zdają sobie sprawę z tego faktu. NASA chce na przykład zacząć od wznowienia misji załogowych na Księżyc i jego orbitę. Planowana stacja orbitalna, która krążyć będzie wokół naszego naturalnego satelity będzie również poligonem doświadczalnym, tworzonym z myślą o przyszłych misjach na Marsa. Szkoda tylko, że te wszystkie Wielkie Misje Kosmiczne nie nastąpią szybciej, niż za kilkanaście-kilkadziesiąt lat. Pasjonując się tym tematem, człowiek bardzo szybko uczy się bycia cierpliwym.

Nie wiemy jeszcze, kto będzie odpowiedzialny za jego konstrukcję. NASA współpracuje w tym temacie z Blue Origin, Boeingiem i SpaceX. Wszystkie trzy podmioty pracują jak na razie nad swoimi prototypami, z czego najbliżej ukończenia podobno jest Starship projektowany przez firmę Elona Muska.

Jonathan Hofeller, wiceprezes SpaceX podczas konferencji APSAT zdradził, że Starship budowany jest równolegle przez dwa zespoły inżynierów, w dwóch siedzibach SpaceX - na Florydzie i w Teksasie. Obydwa zespoły mają pełną dowolność w swojej pracy. Taka wewnętrzna konkurencja pomoże oczywiście wybrać lepsze (i tańsze) rozwiązanie.

Z odgórnych założeń dot. statku SpaceX wiemy, że będzie to jedna z największych rakiet, jakie kiedykolwiek zbudowano. Ma on wynosić na orbitę geostacjonarną Ziemi ładunki o masie do 20 ton i - jeśli zajdzie taka potrzeba - pomieścić 100 osobową załogę podczas lotu międzyplanetarnego. Taka ładowność na pewno się przyda, jeśli chodzi o transport sprzętu i materiałów potrzebnych do budowy kolonii marsjańskiej. Będzie to bowiem pierwszy punkt, jeśli chodzi o plan kolonizacji Czerwonej Planety.

Pomijamy tu oczywiście misje załogowe, które zagoszczą na Marsie tylko przez chwilę. Prawdziwa kolonizacja Czerwonej Planety zacznie się od bezzałogowej misji, która zabierze sprzęt potrzebny do wybudowania tam schronienia. Najbardziej sensowny plan tego przedsięwzięcia przedstawił prof. Behrokh Khoshnevis, który współpracuje z agencją kosmiczną NASA od 2011 r.

Proponuje on wykorzystać metodę druku 3D o nazwie Contour Crafting (CC). Metoda ta pozwala na wydruk gotowego budynku o powierzchni 230 metrów kwadratowych w czasie krótszym niż jeden dzień na Ziemi. Khoshnevis korzystał jednak z prefabrykatów wyprodukowanych w ziemskich fabrykach.

Jego dalsze poszukiwania sposobów na efektywne drukowanie infrastruktury na Marsie zaowocowały nagrodą w konkursie NASA In-Situ Materials Challenge. Khoshnevis zaprezentował wtedy metodę o nazwie Selective Separation Sintering. W skrócie i dużym uproszczeniu polega ona na przetwarzaniu sproszkowanych materiałów dostępnych na Marsie we „wkłady” do drukarek 3D.

Co równie ważne: jej działanie nie wymaga jakiejkolwiek grawitacji. Zaprojektowana przez Khoshnevisa głowica działa na tej samej zasadzie, co pistolet do kleju. Wyższe ciśnienie w jej komorze wypycha filament, dzięki czemu druk 3D możliwy jest nawet w stanie nieważkości.

Wizualizacja jednego z projektów marsjańskiej kolonii, od której zaczniemy podbój Czerwonej Planety.

Profesor analizował też kilka innych możliwości. Wysłanie statku z gotowymi prefabrykatami, jest praktycznie nierealne ze względu na ich dużą wagę. Raz, że dość mocno ogranicza nas ziemska grawitacja, a dwa - im cięższy ładunek, tym większy koszt całego przedsięwzięcia.

Kolejnym rozważanym sposobem na budowę marsjańskiej infrastruktury były nadmuchiwane budynki. Największym problemem tego rozwiązania jest promieniowanie na czerwonej planecie. Takie nadmuchiwane budynki robi się z polimerów takich jak winyl. Materiały tego typu wystawione na wysoki poziom promieniowania bardzo szybko tracą na wytrzymałości, więc ten pomysł też odpada.

Pomijając kwestię tego, że maszyny te musiałyby mieć odpowiedni rozmiar i wagę, żebyśmy mogli wysłać je na marsa, misja ta musiałaby się odbyć bez udziału ludzkiej załogi.

W pierwszej kolejności potrzebujemy stałego źródła zasilania. Khoshnevis sugeruje skorzystanie z paneli słonecznych. To całkiem niezły pomysł. Do tego, obecne tempo rozwoju technologicznego ogniw i paneli fotowoltaicznych jest na tyle dynamiczne, że do czasu kiedy zdecydowalibyśmy się na realizację pomysłu Khoshnevisa, ich wydajność na pewno byłaby zadowalająca.

Oprócz źródła energii potrzebujemy również urządzeń do wydobycia, przetwarzania i transportu sproszkowanych marsjańskich skał do drukarki (drukarek?) 3D. Do tego dochodzi też kwestia budowy samej infrastruktury z wydrukowanych prefabrykatów.

Na tym polu będą musieli wykazać się konstruktorzy robotów. Optymalnym rozwiązaniem byłoby stworzenie takiej maszyny, która zajęłaby się wydobyciem materiałów, ich transportem i budową infrastruktury. Roboty musiałyby być również na tyle „zręczne”, żeby móc całą tę maszynerię rozstawić i odpowiednio podłączyć.

Oczywiście na tym etapie mówimy o robotach sterowanych przez człowieka. Co prawda maksymalna odległość pomiędzy Ziemią a Marsem wynosi 401 mln km, co przekłada się na (mniej więcej) 6-minutowe opóźnienia w komunikacji człowieka z maszyną. Tak duży lag jest oczywiście irytujący, ale nie jest to jednak problem, który miałby przeszkodzić w realizacji planu.  Mówimy w końcu o kolonizacji nowej planety!

Ok, baza wydrukowana, śmiałkowie wyznaczeni do zamieszkania na Marsie właśnie wylądowali - co z jedzeniem? Nie będzie to takie proste. Marsjańska gleba zawiera w sobie bardzo dużo nadchloranów (sole lub estry kwasu nadchlorowego), które trzeba byłoby usunąć przed rozpoczęciem hodowli. Oprócz tego, na próżno szukać w marsjańskiej glebie składników odżywczych, na których brak nie narzekamy na Ziemi.

Oznacza to, że do założenia hodowli jakichkolwiek roślin na Marsie będziemy potrzebować ziemi i nawozów przygotowanych na Ziemi. Sama hodowla z kolei będzie musiała być chroniona przed promieniowaniem. Do tego trzeba będzie starannie wyselekcjonować najbardziej odporne na te niegościnne warunki odmiany warzyw i owoców. Ale spokojnie, powoli zajmujemy się tym problemem. NASA współpracuje w tej kwestii z Międzynarodowym Centrum Ziemniaków.

Prowadzone tam badania poświęcone są w całości ziemniakom, słodkim ziemniakom, maniokowi, innym bulwom i korzeniom jadalnym. Jednym z celów naukowców z MCZ jest opracowanie odmian, które można hodować w ubogiej w składniki odżywcze glebie. Takiej, jak ta marsjańska. Poszukiwania najbardziej obiecujących odmian rozpoczęły się 14 lutego 2016 r.

W ten dzień pierwsze sadzonki umieszczono w ziemi przygotowanej w taki sposób, aby udawała tę, która znajduje się na Marsie. Okazało się, że gleba o najbardziej zbliżonych parametrach do marsjańskiej znajduje się na pustyni Pampas de La Joya, położonej na południu Peru.

Całą hodowlę zamknięto w kapsule CubeSat, przygotowanej przez inżynierów z Uniwersytetu Inżynierii i Technologii w Limie (stolicy Peru). Pojemnik ten zamykany jest hermetycznie, dzięki czemu w jego wnętrzu naukowcy mogli odtworzyć warunki panujące na Marsie: ciśnienie powietrza, poziom dwutlenku węgla i tlenu.

Do tego kapsuła została wyposażona w automatyczny system nawadniania roślin i czujniki monitorujące ich wzrost. Okazało się, że większość wyselekcjonowanych przez naukowców z MCZ odmian poradziło sobie w takich warunkach.

Jeśli chodzi zaś o wodę, to na powierzchni Marsa, albo kilkanaście centymetrów pod nią, znajdują się spore zapasy lodu. Także z tym na szczęście nie będzie problemów.

Tak może wyglądać tzw. baza przejściowa, zbudowana z części lądowników, które dostarczą kolonizatorów na Marsa.

To doskonałe pytanie. Jak dotąd nikt nie udzielił na nie wyczerpującej odpowiedzi. Elon Musk co prawda odgraża się, że żeby to wszystko miało sens, marsjańska kolonia musi stać się dużym miastem, w którym będą żyć i rozmnażać się tysiące osób, ale wizja naszego ulubionego ekscentrycznego miliardera jest na razie nierealna. Mówimy tu w końcu o skolonizowaniu martwej planety, pozbawionej atmosfery, na której każdy gram jedzenia i metr kwadratowy schronienia, które ochroni kolonizatorów przed promieniowaniem będzie na wagę złota.

Najbardziej optymistyczne scenariusze zakładają, że pierwsi mieszkańcy Czerwonej Planety zamieszkają tam na dłużej za jakieś… 50 lat. O ile oczywiście przez ten czas budżety ziemskich agencji kosmicznych pozwolą na dalsze badania i eksperymenty, które pozwolą nam na zbudowanie funkcjonalnej osady na innej planecie.

Nadal nie mamy też dobrego pomysłu na przywrócenie atmosfery Marsa. To, w (bardzo)długoterminowym ujęciu będzie stanowić największy kłopot naszej przyszłej kolonii. Zamieszkanie na stałe na planecie, która nie posiada własnego, sprawnego ekosystemu zapewne będzie nieco przypominać stały pobyt w przeciwatomowym schronie. Dla dobra nauki niby można, ale podejrzewam, że wielu osadników po jakimś czasie zatęskni za Ziemią.

Nie możemy być oczywiście wybredni. Mars to jedyna planeta, która na obecną chwilę wydaje się być możliwa do skolonizowania. Tak, jest kompletnie martwa, ale… jak na razie nie mamy innej opcji. Do tego, jej kolonizacja pomoże nam opracować i ustandaryzować wiele rozwiązań, które w jeszcze bardziej odległej przyszłości pozwolą na kolonizację dalszych światów. Wtedy będziemy mogli pochwalić się, że dorobiliśmy się statusu gatunku międzyplanetarnego. Zła wiadomość jest taka, że nikt, kto czyta ten tekst, raczej nie dożyje czasów, w których skolonizujemy naszą pierwszą egzoplanetę.