Fråga vilken rymdentusiast som helst, och nästan vem som helst kommer att säga att mänsklighetens ultimata destination är Mars. Men NASA rustar just nu upp för att gå till en asteroid. Medan rymdorganisationen säger att dess Asteroid Initiative kommer att hjälpa till i det slutliga målet att sätta människor på Mars, tänk om vi istället för att gå till en asteroid, åkte till Mars måne Phobos?
Tre framstående planetforskare har gått samman ett nytt papper i tidskriften Planetary and Space Science för att förklara fallet för ett uppdrag till månarna på Mars, särskilt Phobos.
'Phobos intar en unik position fysiskt, vetenskapligt och programmatiskt på vägen till utforskning av solsystemet', säger forskarna. Dessutom kan månarna möjligen vara en källa till resurser på plats som kan stödja framtida mänsklig utforskning i rymden runt Mars eller på Mars yta. Men ett exempel på returuppdrag först skulle kunna ge detaljer om månarnas ursprung och makeup.
Marsmånarna ärgåtor, insvepta i ett mysterium, inuti en gåta. Phobos och dess syskon Deimos verkar som bara två asteroider som fångades av planeten Mars, och de förblir de sista objekten i det inre solsystemet som ännu inte studerats med ett dedikerat uppdrag. Men ska månarna utforskas med förbiflygningar eller provretur? Ska vi överväga 'stövlar eller bots'?
Publikationerna och uppdragskoncepten för Phobos och Deimos är många och går decennier tillbaka. Författarna till 'The Value of a Phobos Sample Return', Murchie, Britt och Pieters, utforskar hela bredden av frågor om varför och hur man utforskar Phobos och Deimos.
Dr. Murchie är den främsta utredaren av Mars Reconnaissance Orbiter KRISM instrument, en synlig/infraröd avbildningsspektrometer. Han är en planetforskare från John Hopkins Applied Physics Lab ( APL ) som har legat i framkant i arbetet med att utveckla ett Phobos-uppdrag. Likaså har författarna Dr. Britt, från University of Central Florida, och Dr. Pieters, från Brown University, samarbetat med APL och JPL i Phobos/Deimos uppdragsförslag.
En MRO HiRise-bild av Marsmånen Phobos. Taget den 23 mars 2008. Phobos har måtten 27 × 22 × 18 km, medan Deimos är 15 × 12,2 × 11 km. Båda upptäcktes 1877 vid US Naval Observatory i Washington, D.C. (Foto: NASA/MRO/HiRISE)
APL-forskare är inte de enda som är intresserade av Phobos eller Deimos. Jet Propulsion Laboratory, Ames Research Center och SETI-institutet har också föreslagit flera uppdrag till de små månarna. Varje NASA-center har varit involverat på någon nivå.
Men det enda uppdraget för att faktiskt komma igång är den ryska rymdorganisationens Phobos-GRUNT[ ref ]. Det ryska uppdraget sjösattes den 9 november 2011 och två månader senare tog det ett bad i Stilla havet. Framdrivningssystemet misslyckades med att utföra de brännskador som var nödvändiga för att undkomma jordens gravitation och istället förföll dess omloppsbana trots veckor av försök att aktivera rymdfarkosten. Men det är en helt annan historia.
Det ryskledda uppdraget Phobos-Grunt slutade inte bra; under Stilla havet för att vara exakt. Oförskräckta ryska forskare trycker på för Phobos-Grunt 2 (illus.), en förbättrad landare med provretur. Föreslagen för 2020-talet (kredit: CNES)
'The Value of a Phobos Sample Return' diskuterar först ursprunget till Mars månar. Det finns ingen säkerhet. Det finns en stark konsensus om att jordens måne föddes från kollisionen mellan ett objekt i storleken Mars och jorden inte långt efter jordens bildande. Detta är bara en möjlighet för Marsmånarna. Murchie förklarar att nedslagen som skapade de stora bassängerna och kratrarna på Mars kunde ha gett upphov till Phobos och Deimos: utstötningar som uppnådde en omloppsbana, bildade en ring och sedan smälte samman till de små kropparna. Alternativa teorier hävdar att månarna fångades av Mars från antingen det inre eller yttre solsystemet. Eller de kunde ha samarbetat med Mars från Solnebulosa . Murchie och medförfattarna beskriver svårigheterna och konsekvenserna av varje scenario. Om de till exempel fångas av Mars är det svårt att förklara hur deras banor kom att vara 'nära cirkulära och nästan ekvatoriala med synkrona rotationsperioder.'
För att besvara frågan om ursprung vänder sig tidningen till frågorna om deras natur. Murchie förklarar att den begränsade kompositionskunskapen lämnar flera möjligheter för deras ursprung. De verkar som Asteroider av D-typ av det yttre asteroidbältet. Men månarna på Mars är mycket torra, tomma på vatten, åtminstone på sina ytor som tidningen diskuterar i detalj. Phobos och Deimos förbiflygningar av NASA och ESA rymdfarkoster är helt enkelt otillräckliga för att ge någon tydlig bild av deras sammansättning eller struktur, än mindre deras ursprung, förklarar Murchie och medförfattare.
Om månarna fångades så har de olika sammansättningar än Mars; men om de ansamlades med eller från Mars, så delar de liknande sammansättningar med den tidiga Mars när de bildades, eller från Mars-skorpmaterial, respektive.
Uppsatsen beskriver i detalj problemet som miljarder år av dammackumulering från mars innebär. Varje gång Mars har träffats av en stor asteroid skjuts ett moln av skräp upp i rymden. En del faller tillbaka till planeten men mycket hamnar i omloppsbana. Varje gång kolliderade en del av skräpet med Phobos och Deimos; Murchie använder termen 'vittnesplatta' för att beskriva vad de två månarna är för Mars. Det finns en ansamling av material från mars och även material från stötorganen som täcker månarnas ytor. Flyby-bilder av Phobos visar en rödaktig yta som liknar Mars, och många spår längs ytan som om passerande föremål träffade, plöjde eller rullade längs. Den rödaktiga nyansen kan dock vittras från solflödet under miljarder år.
Tidningen fortsätter med frågor om sammansättningen och hur mötesuppdrag skulle kunna gå längre för att förstå månens makeup och ursprung, men det är provavkastningen som skulle ge smutsen. Trots hur väl ingenjörer från NASA och ESA har arbetat för att krympa och lätta instrumenten som flyger, kretsar runt och landar på Mars, skulle återlämnande av ett prov av Phobos till laboratorier på jorden möjliggöra mycket mer detaljerad analys.
SpaceX och Elon Musk hävdar att de kommer att flyga till Mars före 2030. Många andra förblir mindre optimistiska med förhoppningar om mänskliga flygningar före 2040. (Illustrationer: Total Recall, 1990, tidig konstnärsillustration ca 1950-talet)
Science Fiction-författare och missionsdesigners har föreställt sig Phobos, i synnerhet, som en utgångspunkt för mänsklig utforskning och kolonisering av Mars. Ett anmärkningsvärt samtida verk är 'Red Mars' av Kim Stanley Robinson; dock är berättelsen daterad på grund av rymdfärjans pensionering och de yttre tankarna som Robinson samlade för att bilda kolonisationsfartyget. Medan denna artikel av Murchie et al. är rent vetenskapligt har skönlitterära författare använt förståelsen att Phobos är mycket lättare att nå från jorden än Mars yta (se Delta-V-diagrammet nedan).
Ett diagram som visar trappstegsenergin som behövs för att resa till platser bortom jorden. Delta-V är hastigheten i km/sek som krävs för att nå en destination. Som visas är Delta-Vs kumulativa. Observera att det tar ytterligare 5 km/sek bortom Phobos för att nå Mars-ytan; en främsta anledningen till att göra resan till månarna på Mars. (Kredit: Wikipedia, Delta-V)
Phobos, som kretsar på 9 400 kilometer (5 840 miles), och Deimos, på 23 500 km (14 600 miles), ovanför Mars undviker behovet av sju minuter av EDL-terror – Inträde, Nedstigning och Landning – och dra sig ut ur Mars gravitation väl att återvända till jorden. Vidare finns intresset för att använda Phobos som materialresurs – vatten, material för raketbränsle eller byggmaterial. 'The Value of a Phobos Sample Return' diskuterar potentialen hos Phobos som en resurs för rymdresenärer - 'In Situ Resource Utilization' (ISRU), i samband med dess sammansättning, hur solflödet kan ha rensat månarna från vatten eller hur slagskräp från mars täcker material av större intresse och värde för upptäcktsresande.
Med så många frågor och intressen, vilka uppdrag har föreslagits och utforskats? Murchie-tidningen beskriver ett halvdussin uppdrag men det finns flera andra som har utformats och föreslagits till någon nivå under flera decennier.
För närvarande finns det åtminstone ett uppdrag som aktivt driver fonder. SETI och Ames föreslog 'Phobos and Deimos & Mars Environment' ( PADME ) uppdrag som leds av Dr. Pascal Lee tävlar om Upptäcksprogram finansiering. Sådana projekt måste begränsa kostnaderna till 425 miljoner USD eller mindre och kunna starta på mindre än 3 år. De föreslår ett lanseringsdatum 2018 på en SpaceX Falcon 9 . PADME-uppdragsdesignen skulle återanvända Ames LADEE hårdvara och expertis, men det går inte så långt som vad Murchie och medförfattare hävdar – att returnera ett prov från Phobos. PADME skulle hålla sig i en synkroniserad omloppsbana med Phobos och sedan Deimos fiende upprepade förbiflygningar. Uppdraget kommer sannolikt att kosta i storleksordningen 300 miljoner dollar. Stjärndamm , ett relevant uppdrag på grund av dess provreturkapsel, som lanserades 1999 och hade kostnader som sannolikt nådde en liknande nivå i slutet av uppdraget 2012.
Den ryska rymdorganisationen försöker få finansiering för Phobos-Grunt 2 men möjliga lanseringsdatum fortsätter att flyttas tillbaka – 2020, 2022 och nu möjligen 2024.
Retur av Stardust-provet inuti den Lockheed-Martin-utvecklade provreturkapseln. Ses här vid framgångsrik landning i Utahs öken. (Kredit: NASA/Stardust)
Dessutom har var och en av denna artikels författare uppdragsförslag beskrivna. Dr. Pieters, JPL, och Lockheed-Martin föreslog Aladdin uppdrag; Dr. Britt vid APL, också med Lockheed-Martin, föreslog uppdraget Gulliver ; båda skulle återanvända Stardust prov-retur-kapseln (bild ovan). Dr. Murchie beskriver också sitt APL/JPL-uppdragskoncept som heter MERLIN (Mars–Månutforskning, spaning och landbaserad undersökning).
Phobos och Deimos är de två sista av vad man skulle kalla stora objekt i det inre solsystemet som inte har haft dedikerade utforskningsuppdrag. Flera kroppar av Asteroidbältet har varit mål med förbiflygningar och Gryning närmar sig sitt andra mål, det största av asteroiderna, Ceres.
Så förr snarare än senare kommer en rymdfarkost från någon nation (inte nödvändigtvis USA) att rikta in sig på Mars månar. Riktade Phobos/Deimos-uppdrag kommer sannolikt också att inkludera både flygförbi-uppdrag och ett eller flera prov-retur-uppdrag. En USA-ledd mission med provåterkomst i Discovery-programmet kommer att vara ansträngd för att uppfylla båda kriterierna – 425 miljoner dollar kostnadstak och 3 års utvecklingsperiod.
De som använder Lockheed-Martin (LM) Stardust-design har en beprövad returkapsel och rymdskeppsbussar (struktur, mekanismer och flygelektronik) för återanvändning för kostnads- och tidsbesparingar. Detta inkluderar fem generationer av LM-flygmjukvaran som har ett otroligt arv av uppdragsframgångar från Mars Odyssey/Genesis/Spitzer till nu Maven.
Alla tre förslagen från denna tidnings författare skulle kunna omarbetas och föreslås igen och tävla mot varandra. Alla tre kunde använda Lockheed-Martins tidigare design. Samarbete för att skriva detta dokument kan vara en indikator på att de kommer att slå sig samman, kombinera koncept och dela utredarpositioner i ett enda NASA-ledt projekt. Kampen om federala dollar förblir en tuff, tät kamp och med det mänskliga rymdflygsprogrammet som kämpar för att få ny fot efter rymdfärjan, kommer dollar för interplanetära uppdrag sannolikt att förbli mycket konkurrenskraftiga. Det verkar dock troligt att ett Phobos-Deimos-uppdrag är troligt inom de närmaste tio åren.
Vidare läsning:
'Värdet av en Phobos-provretur' , Scott L. Murchie, Daniel T. Britt, Carle M. Pieters, Planetary and Space Science, 1 november 2014
US Naval Observatory, Great 26″ Refractor Telescope
Tidigare universum idag berättelse, 'Finding Phobos: Discovery of a Martian Moon'