Polacy chcą zbombardować Marsa. A później na nim zamieszkać

Terraformowanie Marsa, czyli przekształcenie Czerwonej Planety, w miejsce gdzie temperatury przypominać będą te ziemskie, woda będzie mogła płynąć, a na pustyniach wyrosną rośliny, od dawna jest przedmiotem różnych badań.

Mars od dziesięcioleci pozostaje głównym kandydatem do przyszłej kolonizacji przez ludzi. Problem w tym, że obecnie jest światem wyjątkowo niegościnnym. Atmosfera Czerwonej Planety jest ponad 150 razy rzadsza od ziemskiej, ciśnienie przy powierzchni jest zbyt niskie, aby utrzymać wodę w stanie ciekłym, a temperatury przez większość roku pozostają bardzo niskie.

Jednym z warunków powodzenia planu terraformacji byłoby znaczące zwiększenie masy jego atmosfery, na przykład poprzez dostarczenie dużych ilości wody, dwutlenku węgla, amoniaku oraz innych związków uczestniczących w długoterminowej przebudowie środowiska Czerwonej Planety.

Skąd jednak wziąć miliony ton tych związków. Transport z Ziemi przerasta aktualne, jak i raczej przyszłe możliwości ludzkości. Polscy naukowcy z Pracowni Dynamiki Układu Słonecznego i Planetologii Centrum Badań Kosmicznych PAN, przedstawili właśnie jeden z bardziej ambitnych pomysłów na realizację tej wizji. Choć może wydawać sięon nieprawdopodobny, to ich twarde wyliczenia mówią, że jest to możliwe.

Wyniki badań Polaków opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Icarus. Autorami pracy są dr Ryszard Gabryszewski, prof. dr hab. Leszek Czechowski oraz Arkadiusz Hess, student astronomii Uniwersytetu Warszawskiego.

No dobrze, ale wróćmy do pytania o to skąd wziąć niewyobrażalną masę związków chemicznych, które mogłyby zapoczątkować proces zmian na Marsie. Jak podają polscy naukowcy naturalnym rezerwuarem takich substancji są m.in. zewnętrzne obszary Układu Słonecznego, w tym Pas Kuipera.

Pas Kuipera to olbrzymi obszar Układu Słonecznego znajdujący się za orbitą Neptuna, w odległości od 30 do 50 au (jednostek astronomicznych) od Słońca. Przypomina wewnętrzny pas planetoid, ale jest od niego znacznie większy i składa się głównie z milionów lodowych i skalnych obiektów, w tym planet karłowatych, takich jak Pluton.

Jest to zamarznięta kolebka Układu Słonecznego, która zawiera pierwotną materię pozostałą z czasów formowania się planet. Obiekty z Pasa Kuipera to głównie zamarznięty metan, amoniak i woda, a także źródło komet krótkookresowych.

W opublikowanej pracy badacze z CBK PAN nie projektowali konkretnej misji kosmicznej ani konkretnego systemu napędowego. Celem było zbadanie dolnej granicy energetycznej takiego procesu to znaczy jak dużą skumulowaną zmianę prędkości należałoby nadać ciału o średnicy 1 km, aby zmienić jego orbitę i doprowadzić je do zderzenia z Marsem.

Autorzy podkreślają, że ich publikacja nie odpowiada na pytanie, czy terraformowanie Marsa w taki sposób będzie kiedyś możliwe. Pokazuje natomiast, że z punktu widzenia mechaniki nieba uzyskanie trajektorii prowadzącej do zderzenia może wymagać znacznie mniejszych nakładów energii, niż wynikałoby z prostych intuicji.

W swoich obliczeniach naukowcy przyjęli wyjątkowo niewielkie, ale nieprzerwanie działające przyspieszenie. Jego wartość wynosiła zaledwie 0,0004 milimetra na sekundę kwadratową. Dla porównania jest to siła praktycznie niezauważalna w codziennym świecie, jednak działająca przez setki lat może stopniowo zmieniać parametry orbity.

Takie rozwiązanie przypomina koncepcję napędów jonowych lub innych systemów wykorzystujących bardzo mały ciąg przez niezwykle długi czas. W mechanice orbitalnej często okazuje się, że cierpliwość może być cenniejsza niż potężny jednorazowy impuls.

Punktem wyjścia był obiekt o średnicy jednego kilometra poruszający się po orbicie znajdującej się około 45 jednostek astronomicznych od Słońca, czyli daleko poza orbitą Neptuna.

Pierwszy analizowany scenariusz polegał na stopniowym wyhamowywaniu obiektu. Przyspieszenie było skierowane przeciwnie do kierunku ruchu, przez co ciało systematycznie traciło energię orbitalną i bardzo powoli przesuwało się w stronę wewnętrznych rejonów Układu Słonecznego.

Choć rozwiązanie wydaje się intuicyjne, jego efektywność okazała się niewielka. Samo sprowadzenie obiektu w okolice orbity Marsa wymagało łącznej zmiany prędkości wynoszącej około 22,8 km/s. Cały proces trwał przy tym około 1805 lat, a uzyskana orbita wcale nie prowadziła jeszcze do kolizji z planetą.

To pokazuje, że mechanika orbitalna rządzi się innymi prawami niż ruch w ziemskich warunkach. Samo zmniejszanie prędkości nie oznacza automatycznie uzyskania odpowiedniej trajektorii.

Znacznie ciekawsze wyniki uzyskano, gdy badacze przestali koncentrować się na hamowaniu, a zaczęli zmieniać sam kształt orbity.

Zamiast sprowadzać obiekt możliwie najkrótszą drogą do Słońca, starano się tak modyfikować jego trajektorię, aby przecięła orbitę Marsa dokładnie w odpowiednim miejscu i czasie. W praktyce oznaczało to wykorzystywanie niewielkiego ciągu przede wszystkim tam, gdzie jego wpływ na geometrię orbity był największy.

Najbardziej korzystnym miejscem okazało się aphelium, czyli punkt najbardziej oddalony od Słońca. Tam nawet bardzo małe przyspieszenie potrafi wywołać zaskakująco duże zmiany w przyszłym przebiegu całej orbity.

Efekt był wyraźny. Zapotrzebowanie na zmianę prędkości spadło do około 2,5 km/s, natomiast czas potrzebny na doprowadzenie do zderzenia skrócił się do około 380 lat.

W trzecim wariancie badacze wykorzystali dobrze znane z misji kosmicznych asysty grawitacyjne. Polegają one na odpowiednim przelocie w pobliżu planety, która dzięki własnej grawitacji zmienia kierunek oraz prędkość statku kosmicznego lub innego obiektu.

Tym razem rolę kosmicznej zwrotnicy odegrał Neptun. Odpowiednio zaplanowany przelot pozwolił dodatkowo zmniejszyć wymagane nakłady energii. Łączna zmiana prędkości wyniosła około 2,19 km/s, choć sam transfer trwał już około 540 lat.

Różnica między ponad 22 km/s a niewiele ponad 2 km/s pokazuje, jak ogromne znaczenie ma właściwe wykorzystanie mechaniki orbitalnej. Odpowiednio dobrana trajektoria może okazać się znacznie ważniejsza niż zwiększanie mocy napędu.

Choć wizja transportowania komet na Marsa to pieśń bardzo odległej przyszłości to publikacja CBK PAN ma ogromne znaczenie dla rozwoju nauki w Polsce. Wpisuje się ona w teoretyczny nurt dyskutowany w przeszłości przez ikony eksploracji kosmosu, takie jak Christopher McKay czy Robert Zubrin, ale nadaje mu rygorystyczne, nowoczesne ramy matematyczne.

Przede wszystkim jest to jednak jedna z pierwszych rodzimych prac badawczych, w której problem przekierowywania małych ciał niebieskich potraktowano w tak kompleksowy, inżynieryjny sposób.

Polscy naukowcy połączyli w jednym modelu zaawansowane mechanizmy słabego ciągu, asyst grawitacyjnych oraz precyzyjnej geometrii zderzeń planetarnych. Narzędzia i metody użyte do tej symulacji to dokładnie te same techniki, które światowe agencje kosmiczne wykorzystują do planowania skomplikowanych misji międzyplanetarnych.